1996年、現役引退後にドイツ代表のヘッドコーチに就任。2004年、U-19ドイツ代表を率い、FIFA U-19女子世界選手権（現FIFA U-20女子ワールドカップ）で優勝。2005年6月、ドイツ代表の監督に就任。2007年のFIFA女子ワールドカップではチームを連覇に導く。2008年の北京オリンピックでは銅メダルであった。2009年、UEFA欧州女子選手権では監督として初優勝を果たした。2010年、この年に設立されたFIFAバロンドールの女子最優秀監督に選出され、初代受賞者となった。2011年、地元・ドイツでの開催となったFIFA女子ワールドカップでは自身の連覇、チームの3連覇を目指したが、準々決勝で日本に延長戦の末敗れた。2013年、再びUEFA欧州女子選手権を制し（チームは6連覇）、同年度のFIFAバロンドールで2回目となる女子最優秀監督賞を受賞した。2015年のFIFA女子ワールドカップでは、準決勝で同大会優勝国のアメリカ合衆国に敗れ、4位に終わった。2016年のリオデジャネイロオリンピックではドイツ代表史上初となるオリンピック金メダルに導き、同年度のザ・ベスト・FIFAフットボールアウォーズで3回目となる女子最優秀監督賞を受賞した。
中日監督を退任した直後NHKから解説者としての打診を受けていたが、2001年オフの12月17日に低迷が続いていた阪神タイガースの監督に就任。背番号は中日監督時代と同じ77。ヘッドコーチには中日時代からの片腕的存在島野育夫、打撃チーフコーチに田淵幸一 を招聘した。島野は10月に中日に二軍監督に就任し複数年契約しており、中日の交渉は難航、最終的には星野が中日の白井文吾オーナー、西川順之助球団社長らと会い話をつけた（西川は最初難色を示し、野崎も「私が逆の立場なら難色を示してただろう」と述べている）。田淵が阪神のコーチを断った場合、星野は阪神の監督を引き受けなかったと田淵に語っている。阪神との初交渉を控えた12月11日、巨人監督を勇退したばかりの長嶋茂雄とスポーツ報知の新年企画で対談した際、阪神のユニフォームを着るよう説得された。長嶋から「安芸キャンプでコーヒー飲ませてよ」と言われた際には返す言葉がなかったという。。星野をオーナーの久万俊二郎に推薦したのは前任監督の野村克也だという。著書によると野村は任期途中で自分では阪神再建は不可能と悟り、「負け癖のある今の状態の阪神を再建できるとすれば、熱血指導型の西本幸雄さんか星野だ」と考えていた。当時の阪神はOB会が強い権力を持ち、ベンチにも入って選手を勝手に指導したりする場面もあり、野村との確執があったともいう。星野もオーナーに直談判し、「ここまで低迷したのは、失礼ですがオーナー、全てあなたの責任ですよ」と発言した。球団社長の野崎勝義も「星野新監督を誕生させたのは野村克也さんの直言がキーワードになった」と記している星野は著書の中で、『野村さんは阪神での3年間、「弱者が強者に勝つ野球」というものを標榜されていたそうだが、私の場合は「弱者を強者にする野球」だ。野村さんといえばご存知ID野球。野球は考えるスポーツ、頭でやるスポーツとして捉え、指導していくスタイルの人だが、私が阪神で選んだのは端的にいうと体の野球だ。これはどちらがいいとか悪いとかの問題ではなく、弱いチームの選手を鍛えて、戦っていくための順番として問題として考えてもらえればいいだろう』と記している。同年オフ、オリックスからジョージ・アリアス、FAで日本ハムから片岡篤史を獲得した。就任1年目の2002年にはチーム史上2度目の開幕7連勝を記録し、5月・6月首位を走ったが故障者が出始めて息切れ、結果的に4位に終わる。同年オフには、広島からFA宣言した金本知憲、テキサス・レンジャーズを自由契約になった伊良部秀輝、中日を自由契約になった久慈照嘉、日本ハムから下柳剛・中村豊らをトレードで獲得するなど、投打の大型補強を行った。首脳陣とフロント陣では一軍ブルペンコーチに西本聖、一軍バッテリーコーチに達川光男、二軍投手コーチに山口高志、編成部顧問に岡田英津也、伊藤菊雄を招聘した。翌2003年は、金本、伊良部、下柳、矢野、桧山進次郎、片岡、井川慶、アリアス、ジェロッド・リガン、ジェフ・ウィリアムスら主力選手の活躍に加え、今岡誠、赤星憲広、藤本敦士、吉野誠ら若手が急成長し首位を独走、7月8日にはセ・リーグ史上最速となる優勝マジック49を点灯させた。結局、この年、圧倒的な強さでチーム18年ぶり、監督としては自身3度目のリーグ優勝を果たす。巨人には17勝10敗1分けと18年ぶりに勝ち越した。しかしダイエーとの日本シリーズでは3勝4敗で敗れる。しかしかねてから星野には高血圧症という持病があり、2002年のペナント開幕戦の対巨人戦では試合後に体調を崩しベンチ裏で記者を待たせ横になっていたことがあったり、2003年は野崎が覚えているだけで試合中4回倒れており、その都度島野ヘッドが敵陣にバレないよう指揮を執っていた。7月27日の対中日戦では試合中に気分が悪くなり、1時間ほど指揮を島野に任せベンチ裏で横になっていたこともあった。どちらのときも平常時72から135までに安定している血圧値が165から210にまで上昇していたという。日本シリーズ前日の10月16日、メディアで「星野監督、日本シリーズ終了後に勇退」と報じられ、シリーズ終了後の10月28日に「健康上の理由」で退任することを正式に発表した。星野は後任に田淵を推薦するが固辞した為、守備走塁コーチの岡田彰布が昇格。2010年に行われた阪神ファンが選ぶ阪神名監督というアンケートで2位岡田彰布に倍以上の差をつけ1位になっている。