Setelah karir bermainnya berakhir, Poyet beralih ke dunia pelatihan. Ia menjadi asisten manajer untuk Dennis Wise di Swindon Town dan Leeds United, serta untuk Juande Ramos di Tottenham Hotspur. Pada November 2009, Poyet ditunjuk sebagai manajer Brighton & Hove Albion dan dalam musim penuh pertamanya, ia membawa klub tersebut promosi sebagai juara Liga Satu, di mana ia dinobatkan sebagai Manajer Liga Satu Terbaik oleh LMA. Pada Oktober 2013, ia dipekerjakan oleh tim Premier League Sunderland dan membawa mereka mencapai final Piala Liga dalam musim pertamanya, namun ia dipecat pada Maret 2015 setelah rentetan hasil buruk. Ia kemudian melatih AEK Athens di Superleague Yunani, Real Betis di La Liga, Shanghai Shenhua di Chinese Super League, Bordeaux di Ligue 1, dan Universidad Católica di Chile, sebelum ditunjuk sebagai pelatih tim nasional Yunani pada tahun 2022.