Prandelli futbolu bıraktıktan sonra Atalanta'nın genç takım antrenörlüğünü yapmaya başladı. 1993 yılının Kasım ayında Atalanta teknik direktörü Francesco Guidolin'in görevinden alınmasının ardından geçici olarak sezon sonuna kadar takımın başına getirildi. Ancak Prandelli mavi siyahlıların küme düşmesini engelleyemedi.
1997-98 sezonu başında Lecce'nin başına geçti. Burada beklentileri karşılayamayan Prandelli, Ocak 1998'de takımdan kovuldu.
1998-99 sezonu başında Serie B takımlarından Verona'yı çalıştırmaya başladı. Takımdaki ilk sezonunda sarı mavilileri 66 puanla şampiyonluğa taşıyarak, Serie A'ya yükseltti. Ertesi sezon ise takımını ligde 9. yaptıktan sonra Verona'dan ayrılarak, küme düşen Venezia ile anlaştı.
Prandelli Venezia'yı da üst lige çıkardıktan sonra, 2001-02 sezonunun başında ligde alınan kötü sonuçların ardından görevine son verildi.
Cesare Prandelli, Mayıs 2002'de teknik direktör Pietro Carmignani'nin kovulmasından sonra Parma'nın başına getirildi. Prandelli lig sonunda Parma'yı beşinci yapmayı başardı ve kulübü UEFA Kupası'na götürdü. Ertesi sezon ise Adriano'nun sakatlığı, Adrian Mutu'nun satılması, Parmalat skandalı gibi olumsuzluklara rağmen takımını bir kez daha ligde beşinci yaptı ve sezon sonunda Parma'dan ayrıldı.
Prandelli, Parma'daki görevinden sonra Roma'nın başına geçmesine rağmen, 2004 yılında eşinin kanser olmasından dolayı sezon başlamadan görevi bıraktı.
Cesare Prandelli, Roma'dan ayrıldıktan sonra bir yıla yakın bir süre takım çalıştırmadı. 2005 yazında Dino Zoff'un yerine Fiorentina'nın teknik direktörlüğüne getirildi.
Fiorentina'nın yükselişi 2007-08 sezonunda da devam etti. İlk 12 hafta mağlubiyet yüzü görmeyen Menekşeler, ligi 66 puanla 4. sırada tamamladı. UEFA Kupası'nda ise yarı finale kadar çıkılmasına rağmen, finale yükselme şansı Rangers karşısında penaltılarda alınan 4-2'lik sonuçla kaybedildi. İtalyan teknik adam bu başarılarının ardından İtalya'da 2008 yılının En İyi Teknik Direktör ödülüne lâyık görüldü. Takım, 2009'da Şampiyonlar Ligi'nde ikinci tur başarısı yakalasa da ligi 11. sırada tamamladı. Carlo Ancelotti'nin 2009 yazında Chelsea'ye gitmesinden sonra, Prandelli Serie A'daki mevcut teknik direktörler arasında en uzun süre görevde kalan teknik direktör konumuna yükseldi. Ayrıca Mor Menekşeler'de de kulüp tarihindeki en uzun süre görev yapan teknik direktör olarak da tarihe geçti.
İtalya Futbol Federasyonu 30 Mayıs 2010'da İtalya Millî Takımı'nın başına dünya kupasının ardından Marcello Lippi'nin yerine Cesare Prandelli'nin 4 yıllığına getirileceğini açıkladı. Prandelli, Euro 2012'de takımı final oynattı ancak İspanya'ya kaybetti. 2014 Dünya Kupası'nda ise gruplarda gelen elenişin ardından istifasını sundu...