Pada tanggal 5 Mei 2010, Sri Mulyani dilantik menjadi salah satu dari tiga Pengarah Urusan Kumpulan Bank Dunia[27][28] menggantikan Juan Jose Daboub yang selesai empat tahun masa jawatannya pada 30 Jun. Beliau segera mengatur dan bertugas atas 74 negara di Amerika Selatan, Karibia, Asia Timur, dan Pasifik, Timur Tengah dan Afrika Utara.[29] Pengunduran dirinya berdampak negatif pada situasi ekonomi di Indonesia, seperti stock exchange yang menurun sebesar 3,8%. Nilai rupiah turun hampir 1% dibandingkan dolar.[19] Merupakan penurunan saham Indonesia yang paling tajam dalam 17 bulan.[30] Kejadian ini disebut sebagai "merugikan Indonesia sambil menguntungkan dunia" (Indonesia’s loss, and the World’s gain).[31][32][33]

Beredar isu bahawa pengunduran dirinya saat itu disebabkan oleh tekanan dari pihak lain,[11][34][35] terutama dari pengusaha dan ketua Partai Golongan Karya, Aburizal Bakrie.[36][37] Aburizal Bakrie diduga mempunyai ketidaksukaan terhadap Sri Mulyani[38] akibat penyelidikan oleh Sri Mulyani terhadap penggelapan pajak dalam jumlah besar pada Bakrie Group, penolakan Sri Mulyani untuk mendukung kepentingan Bakrie terkait batu bara dengan menggunakan dana negara,[11] dan penolakan Sri Mulyani untuk menyatakan bahawa semburan lumpur Sidoarjo, yang secara luas dipercaya disebabkan dari pengeboran oleh perusahaan Bakrie, adalah bencana alam.

Pada 20 Mei, Presiden Susilo Bambang Yudhoyono mengumumkan penggantinya iaitu Agus Martowardojo, CEO dari Bank Mandiri.[39]

Pada 2014, beliau disebut oleh majalah Forbes sebagai wanita paling berpengaruh di dunia urutan ke-38.[40]