Trenerska W 2001 roku podjął się trenowania Lecce, następnie: Livorno i Genoa CFC. W roku 2005 powrócił do Livorno, z którym walczył o wejście do Pucharu UEFA. Rok później złożył dymisję. Od 2006 selekcjoner reprezentacji Włoch, z którą wywalczył awans do Euro 2008. Po odpadnięciu kadry w ćwierćfinale został zwolniony. 11 marca 2009 roku został szkoleniowcem SSC Napoli. Rolę tę pełnił do 6 października, kiedy to zastąpił go Walter Mazzarri. 16 listopada 2010 został trenerem Cagliari Calcio z którego został zwolniony 12 sierpnia 2011 roku.
4 listopada 2025 roku został mianowany trenerem Spezii w Serie B, zastępując Lucę D'Angelo po fatalnym początku sezonu, w którym drużyna odniosła tylko jedno zwycięstwo i zajmowała 19. miejsce. Decyzja ta została podjęta ze względu na długotrwałą przyjaźń Donadoniego z właścicielem klubu, Charliem Stillitano, który poszukiwał wpływowej osoby, która tchnęłaby nową energię w klub.