Han var sjef for Forsvarsstaben 2005–2008, norsk representant i NATOs militærkomité fra 2008 til 2011. Dalhaug ble valgt til ny sjef for NATO Defense College, og tiltrådte 22. juli 2011. Han fratrådte fra Forsvaret ved nådd aldersgrense i 2014. Han var sivil observatør for OSSE i de russisk-okkuperte områdene i Donbas-regionen i Ukraina i tre år fra 2016 til 2018.