2008年9月26日、日本政府から国際原子力機関 (IAEA) の次期事務局長選挙に擁立される。この選挙は2009年11月末に退任したエルバラダイ事務局長の後任を選ぶ選挙で、最終的に日本の天野と南アフリカのアブドゥル・ミンティIAEA担当大使が立候補した。天野は「日本が唯一の被爆国であり、原子力を平和利用してきたこと」や「核兵器不拡散への決意」などを訴え欧米主要国の支持を得ているに対し、ミンティは「南アフリカが核兵器を所有後放棄した唯一の国であること」や「発展途上国への原子力の必要性」を訴えることで発展途上国を中心に支持を得ている。3月26日、計3回の投票が行われ、その全てで天野が優勢だったが、両者とも特別理事会35カ国の3分の2以上（23カ国）の信任は得られなかった。後日27日にもう一度投票が行われたが結果変わらなかった。この事態の責任を取るため、外務省の総合外交政策局軍縮不拡散・科学部部長の佐野利男と大臣官房総括審議官の松富重夫が頭を剃り丸坊主となった。2009年7月2日に行われた第2回目の投票には天野の他に前回も出馬したアブドゥル・ミンティ、経済協力開発機構 (OECD) 原子力機関のエチャバリ事務局長が立候補した。最終的に前回と同じく天野とミンティが残り、天野は23票、ミンティは12票を獲得。続く信任投票でも必要な3分の2以上の23票を獲得し、当選が決まった。その後、9月の年次総会で正式承認され、12月に就任した。任期は4年。2013年3月6日、IAEA理事会で再任が決定する。その後、9月の年次総会で正式承認され、12月より2期目の任期が始まる。任期は4年。2017年3月8日、IAEA理事会で再任が決定する。その後、9月の年次総会で正式承認され、12月より3期目の任期が始まる。任期は4年。2019年7月17日、健康問題により翌年3月までに辞職する意向が報道されたが、IAEAは天野が7月18日に死去した旨を7月22日に発表した。72歳没。政府は没後、従三位に叙するとともに、瑞宝大綬章を追贈した。
1972年に外務省入省。フランス語研修(在フランス)、在ベルギー大使館、在米国大使館、国際連合局科学課長、マルセイユ総領事、総合外交政策局軍縮不拡散・科学部長などを経て、2005年から在ウィーン国際機関日本政府代表部大使を務めた。同年国際原子力機関 (IAEA) 理事会議長に選出され、2009年には日本人として初めて国際原子力機関 (IAEA) 事務局長に就任した。
『週刊ヤングサンデー』（小学館）2002年50号より2005年49号まで連載された。単行本は全12巻。戦国時代末期の但馬国を中心に描いた歴史漫画であるが、架空の僧兵集団である「白兵」を始め、大胆な脚色が加えられている。本編は永禄7年（1564年）の山名祐豊による鳥取城（武田高信）攻めから永禄12年（1569年）の秀吉による但馬侵攻までを描いている。白兵達は蝶野が原案であることから当時の新日本プロレスを中心としたプロレスラー達がモデルで、その他の人物も一部は他団体のプロレスラーや格闘家がモデルとなっており、素手で戦う白兵達はプロレス技を多用する（横文字の技はそれらしき日本語名となっている）。
過去のニューハンプシャー州は共和党員に投票することが多かった。1856年から1988年の間の大統領選挙で、民主党員を選んだのは6回きりである。すなわちウッドロウ・ウィルソンが2回、フランクリン・ルーズベルトが3回、リンドン・B・ジョンソンが1回だった。1992年からは、国政選挙でも地方選挙でも接戦州になった。1992年と1996年の大統領選挙では民主党のビル・クリントンを支持し、2004年のジョン・ケリー、2008年と2012年のバラク・オバマも支持した。2000年の選挙で共和党のジョージ・W・ブッシュを支持し、2004年には民主党の挑戦者ジョン・ケリーを支持したのは、ニューハンプシャー州のみだった。ケリーは隣のマサチューセッツ州出身の上院議員だった。州内の選挙では2006年と2008年に民主党が優勢だった。2006年ではアメリカ合衆国下院議員2人を独占し、州知事もジョン・リンチを当選させ、行政委員会と州議会両院の多数派を獲得した。両院で多数派を取ったのは1911年以来だった。民主党は1874年以来両院と州知事を同時に制することができていなかった。アメリカ合衆国上院議員はこの時点で2人とも取っていなかった。2008年、民主党は両院の多数派、州知事、アメリカ合衆国下院議員を維持した。アメリカ合衆国上院議員には元州知事ジーン・シャヒーンが現職の共和党員ジョン・E・スヌヌを破って当選した。この対戦は2002年の再現だった。2008年の選挙では州議会上院の定数24人のうち、女性が13人を占めて多数となった。これはアメリカ合衆国各州の議会で初のことだった。2010年の中間選挙で、共和党が歴史的な大躍進を遂げ、議会では拒否権に対抗できる絶対多数となり、行政委員会の5人を独占し、アメリカ合衆国上院議員には新人のケリー・エイヨットが当選し、アメリカ合衆国下院議員2人を独占した。州知事選挙では現職ジョン・リンチ知事の支持率を下げさせた。リンチは2006年と2008年の選挙では大勝していた。2012年州議会選挙では、民主党が下院の多数を回復し、上院では13対11と多数派の共和党に迫った。この年、州選出のアメリカ合衆国下院議員、上院議員の全てが女性となり、国内初のことになった。また女性としては2人目のマギー・ハッサンを州知事に選んだ。