戰爭結束後，格羅滕迪克與母親居住在法國蒙彼利埃，他在當地一所學校註冊了數學課，但很少去上課，而是喜歡自己鑽研關於體積的概念。後來，他在《收穫與播種》中解釋，這是他開始獨立研究的標誌，並且引導他重新發現了勒貝格積分。
1948年，格羅滕迪克進入巴黎高等師範學院開辦的研究班深造，他在巴黎接觸到諸多數學精英，覺悟到曾以為「自己是世界上唯一的數學家」是多麼的無知。不久之後，他經人推薦來到法國泛函分析領域的數學聖地南錫，在那裡，他以20歲的年齡撰寫出6篇博士論文，作為他學術生涯的開端。
然而，由於他的無國籍身份，格羅滕迪克無法成為一名正式的研究員。獲得法國國籍的條件是服兵役，這讓他無法接受，於是開始了一段漂泊的學術生涯。他離開法國，先是以一名客座教授的身份在巴西待了一段時間，後來又去了美國的堪薩斯大學和芝加哥大學。
四處輾轉中，格羅滕迪克轉變了研究方向，在泛函分析領域完成一系列卓越工作後，開始轉向代數幾何。
這是一個古老的數學分支，格羅滕迪克革命性地改寫了這門學科。他與數學家讓·皮埃爾·塞爾合作，建立新的基礎，引入「概形」的概念，一系列開創性的工作讓代數幾何煥發出全新的活力。
數學界歷來不乏以「破解世界級難題」而揚名立萬的頂尖高手，恰似武林中身懷絕技的大俠，比如專攻那些被公認為最重要、最具挑戰性難題的美國數學家約翰·納什。
格羅滕迪克則正相反，他感興趣的研究對象並非某項難題，而是那些看上去會指向更大但卻隱藏著的數學結構——「他的目標，在於發現和創造問題的自然棲息之家」。
在數學王國，多數研究者會選擇一個清晰的數學問題進行攻堅，格羅滕迪克卻很不喜歡這種拿著錘鑿去敲擊核桃的方式，他寧願將它置放在陽光和雨水中，然後等待其自然爆裂。
密西根大學教授、2006年度美國科學獎獲得者海曼·巴斯評價，格氏用一種「宇宙般普適」的觀點改變了整個數學的全貌。他具有一種極其強大、幾乎就是來自另一個世界的抽象能力，讓他能夠從極為普適的高度來看待問題，而且他對這種能力的使用又是完美無缺的精確。