Presidentposten har mest en ceremoniell funktion, även om presidentvalet ger en antydan om den politiska utvecklingen i Kroatien.
Den 53-årige Milanovic fick drygt 53 procent av rösterna, medan Grabar-Kitarovic fick knappt 47 procent i valets andra omgång, uppger landets valkommission.
Milanovic var premiärminister 2011-15, men förlorade valet 2015 efter att ha misslyckats med att genomföra utlovade reformer. Som presidentkandidat har han lovat att göra Kroatien till ett ”normalt” land med ett självständigt rättsväsende och respekt för minoriteter.
Kolinda Grabar-Kitarovic från det konservativa partiet HDZ har riktat in sin valkampanj på bland annat enighet och patriotism.