1991–1996: Reprezentacja Bułgarii Udana praca w klubie otworzyła mu w 1991 drogę do reprezentacji. Z piłkarzami, z których wielu występowało wcześniej w prowadzonym przez niego CSKA, awansował po ośmioletniej przerwie do mistrzostw świata (mundial 1994), na których następnie jego podopieczni po ograniu m.in. Argentyny, Meksyku i Niemiec, zajęli czwarte miejsce.
Bułgarzy doszli tak wysoko, mimo iż przez cały turniej ich reprezentacja wstrząsana była konfliktami wewnętrznymi. Dziennikarze wielokrotnie opisywali kłótnie między liderami (Stoiczkowem, Leczkowem i Kostadinowem) i bierność trenera Penewa, który nie potrafił ich ze sobą pogodzićKG. Kłótnia po bułgarsku, "Rzeczpospolita", 24 czerwca 1994.. Selekcjoner wywołał też wiele kontrowersje wśród amerykańskich komentatorów, którzy przyłapali go na paleniu papierosów w czasie meczu, co w Stanach Zjednoczonych było surowo zabronioneKG. Palacz Penew, "Rzeczpospolita", 25 czerwca 1994.. Penew przeprosił, dodając: "Czy możecie sobie wyobrazić niepalącego trenera na ławce?