En 2003 debutó en la Fórmula Renault 1600 Suiza donde se tituló campeón ganando en todas las citas disputadas.

Un año más tarde, Grosjean pasó a la Fórmula Renault 2000 logrando conseguir el título en 2005.

En 2007 se alzó con el título del campeonato con el equipo ASM Formule 3 tras conseguir seis victorias, cuatro pole positions, seis podios y siete vueltas rápidas esa temporada, batiendo a su compañero de equipo Nico Hülkenberg, campeón de la GP2 Series en 2009.

[4]​ En su participación en la GP2 Asia Series logró ganar el campeonato con dos pruebas del mundial por disputarse.

Romain Grosjean fue contratado como segundo piloto en 2009 para el equipo ING Renault F1 Team, sustituyendo a Nelson Piquet, Jr.

Su estreno en la máxima categoría se vio claramente perjudicado por la baja competitividad de su coche.

[6]​ A medida que va avanzando el año, se rumorea su regreso como titular en la temporada 2012.

Estuvo presente con el equipo en las últimas carreras a partir del GP de Singapur y pudo pilotar el coche en los entrenamientos libres de las dos últimas carreras: en Abu Dabi y en Brasil.

Pero es en el GP de Canadá donde logra un meritorio 2.º puesto, presentando sus credenciales como un piloto sólido esta temporada.

[13]​ En la primera vuelta del GP de Bélgica, Grosjean ocasiona un espectacular accidente dejando fuera de combate a Checo Pérez, al líder del campeonato Fernando Alonso, a Lewis Hamilton y al propio piloto galo.

El Sauber de Kamui Kobayashi también quedó dañado y terminó la justa en 13.eɾ lugar.

[15]​ Volvería en Singapur, donde acabaría 7.º a pesar de que el Lotus tenía problemas en las calles urbanas.

Pero en Baréin, con un chasis nuevo,[17]​ Grosjean volvió a mostrarse competitivo y obtuvo la tercera posición.

Volvió a luchar por la victoria en Hungría, pero de nuevo no puede materializarlo y una penalización acabó con sus esperanzas.

En la siguiente prueba, en Suzuka, vuelve a terminar en tercer lugar tras liderar la carrera y confirma su progresión, corrigiendo sus errores de juventud.

Tras un 4.º lugar en Abu Dabi, en Austin igualó su mejor resultado, un 2.º puesto, conteniendo a Mark Webber y solo por detrás de Sebastian Vettel.

[20]​ Romain no pudo puntuar hasta la quinta prueba de la temporada, en Barcelona, donde termina 8.º, resultado que repite en Montecarlo.

En China, Romain no pasa del puesto 19° y vuelve a la zona de puntos con una octava posición en Rusia.

[23]​ En la temporada 2017, Grosjean puntuó en ocho de las 20 carreras, logrando un sexto puesto en Austria como mejor resultado.

Tuvo que esperar hasta el GP de Eifel para poder sumar puntos.

Sufrió leves quemaduras en las manos, tobillos y pies, lo que provocó la ausencia del francés en la siguiente carrera.

[28]​ La investigación de la FIA concluyó que Grosjean perdió el control del coche a 241 km/h e impactó contra la barrera con una fuerza de 67 G. La barrera se deformó, permitiendo que el monoplaza se introdujera en ella.

[39]​ En agosto, en este mismo circuito, el francés logró otro podio al nuevamente ser segundo.

[41]​ Inició la temporada con un quinto puesto en San Petersburgo, y logró su primer podio con Andretti en Long Beach.

En su primera participación en la Indianapolis 500, Grosjean clasificó como el mejor novato pero no finalizó la carrera debido a un accidente.

[46]​ Durante la temporada 2024, pilotó para el equipo Juncos Hollinger Racing, de motores Chevrolet.