В 2006 году Миличич был основным игроком обновлённой сборной Сербии и Черногории на чемпионате мира в Японии. Из всех игроков, приведших Югославию к победе на предыдущем чемпионате мира, в команде остался защитник Игор Ракочевич. На турнире сборная Сербии и Черногории заняла лишь 11-е место, Миличич был лучшим в команде по подборам и блокшотам, вторым по набранным очкам (16,2 в среднем за игру) и передачам. В последней для его команды игре против сборной Испании, выигравшей в итоге чемпионат, Миличич, играя персонально против Пау Газоля, участника Матча всех звёзд НБА, показал хорошую результативность: 18 очков, 15 подборов и 3 блокшота, что не спасло его команду от поражения.