Enligt de första vallokalsundersökningarna låg Milanović knappt över 50 procent av rösterna. Det skulle ha inneburit att en andra valomgång inte skulle behöva genomföras.
Men sent på söndagskvällen meddelade valkommissionen att en andra valomgång hålls om två veckor. Ingen av kandidaterna hade nått upp till 50 procent som en kandidat behöver få för att bli klar som president.
Milanović saknade en procent av rösterna
Milanović fick 49 procent av rösterna i första omgången, medan utmanaren Dragan Primorac fick 19 procent av rösterna enligt valkommissionen.
Zoran Milanović har tidigare varit Socialdemokraternas partiledare, medan Dragan Primorac tillhör konservativa HDZ som innehar regeringsmakten i Kroatien.
Den sittande presidenten Milanović har gjort en politisk resa där han nu är skarpt kritisk till både EU och Nato, och han har kritiserat sanktionerna mot Ryssland som riktas mot landet på grund av invasionskriget i Ukraina.
Presidenten i Kroatien har viss makt i landets utrikes- och säkerhetspolitik. Han är också befälhavare för Kroatiens väpnade styrkor.