Setengah tahun menganggur, Luis Milla membuat publik Tanah Air terkejut karena ditunjuk menjadi pelatih kepala Timnas Indonesia oleh PSSI pada 20 Januari 2017.

Kedatangan Luis Milla membuat permainan Timnas Indonesia semakin cantik di lapangan hingga membuat fans gembira.

Sayang, permainan cantik ini tidak dibarengi dengan prestasi. Ia akhirnya dipecat oleh PSSI setelah hanya bisa membawa Timnas Indonesia U-23 lolos ke babak 16 besar ASIAN Games 2018.

Kerja sama Luis Milla dengan PSSI berakhir pada Oktober 2018. Setelah itu, ia memilih tidak melanjutkan kariernya sebagai pelatih hingga akhirnya resmi menerika proposal klub Liga 1, Persib Bandung.