Nato a Roma da una famiglia originaria di San Giovanni Lipioni (in provincia di Chieti), è sposato con Jessica Repetto, figlia di Giorgio Repetto (dirigente calcistico ed ex giocatore di calcio), dalla quale ha avuto due figli.
Terzino sinistro e mancino, all'occorrenza poteva essere schierato come esterno di centrocampo; era abile anche nei calci di punizione.È stato considerato uno dei migliori interpreti italiani del ruolo negli anni 2000.Tra i dilettanti della Renato Curi e in Serie C2 con il Chieti ha giocato stabilmente come trequartista. Successivamente Serse Cosmi, negli anni al Perugia, vista la sua abilità nella corsa e nel cross lo ha trasformato con successo in terzino.
Esordi, Chieti e Perugia
La carriera di Grosso cominciò nel campionato di Eccellenza, dove vestì la maglia della Renato Curi, che all'epoca era la seconda squadra di Pescara, con cui segnò 47 gol in poco più di 100 presenze. Il debutto tra i professionisti avvenne con il Chieti nel campionato di Serie C2, con il quale in tre stagioni registrò 17 reti in 68 partite, 9 delle quali nella stagione 2000-2001 che sancì la promozione della squadra abruzzese in Serie C1.Grazie a quanto messo in mostra con i neroverdi, Grosso venne notato dagli osservatori del Perugia e così, nell'estate del 2001, passato alla squadra allora allenata da Serse Cosmi, cominciò a giocare dapprima come esterno di centrocampo nel modulo 3-5-2, e poi come terzino sinistro, disputando tre stagioni in Serie A e cominciando a imporsi a livello nazionale. Con la formazione umbra conquistò quello che rimane il suo unico trofeo europeo, la Coppa Intertoto UEFA 2003.
Palermo
Il 30 gennaio 2004 fu ingaggiato dal Palermo allora militante in Serie B, con il quale conquistò subito il ritorno nella massima divisione (21 presenze e un gol in campionato) e l'anno seguente l'accesso alla Coppa UEFA, dopo aver conquistato il 6º posto contribuendo con 36 presenze e una rete. Restò legato ai rosanero per un altro anno, con un totale di 90 presenze e 2 gol in campionato, 8 presenze in Coppa Italia e 8 presenze in Coppa UEFA. Le prestazioni con il Palermo, che lo fecero emergere tra i migliori terzini del campionato italiano, gli permisero di ottenere la convocazione per il campionato del mondo 2006 in cui Grosso assurse tra i protagonisti della vittoriosa spedizione azzurra.
Inter
Al termine del Mondiale 2006, in cui fu protagonista, il 13 luglio 2006 fu ufficializzata la sua cessione all'Inter (per 6,5 milioni di euro) e, al contempo, l'arrivo a titolo definitivo di Paolo Hernán Dellafiore al Palermo. Nonostante l'esordio in UEFA Champions League e la vittoria della Supercoppa italiana 2006 e del suo primo scudetto, all'Inter non trovò la continuità avuta in Sicilia. Con i nerazzurri raccolse 23 presenze con due reti in campionato e una in Coppa Italia.
Olympique Lione
Nell'estate seguente fu ceduto all'Olympique Lione per 7,5 milioni di euro; vinse la Supercoppa di Francia, la Coppa di Francia e, al culmine di una stagione da titolare, fu determinante per la conquista del settimo titolo francese consecutivo per la sua squadra, segnando il gol partita nel match contro lo Strasburgo. Restò a Lione anche la stagione seguente, collezionando in due anni 71 presenze e 3 gol tra campionato e coppe. Nell'estate del 2009, dopo l'arrivo del giovane terzino Aly Cissokho dal Porto, Grosso decise di lasciare il club.
Juventus
Il 31 agosto 2009, con un accordo raggiunto nell'ultimo giorno della sessione di calciomercato, Grosso tornò in Italia trasferendosi alla Juventus, che versò al Lione circa due milioni di euro; al giocatore fu assegnata la maglia n. 6 che fu, tra gli altri, di Gaetano Scirea. Debuttò con la Juventus il 12 settembre allo Stadio Olimpico di Roma contro la Lazio (0-2), mentre segnò il primo gol il 22 novembre contro l'Udinese, su cross di Martín Cáceres, marcatura peraltro decisiva per la vittoria della sua squadra (1-0). Altrettanto importante fu la rete realizzata il 6 marzo 2010 nella gara vinta 2-1 in trasferta contro la Fiorentina. Chiuse la prima stagione alla Juventus con 26 presenze e 2 gol in campionato, 2 presenze in Coppa Italia, 8 presenze nelle coppe europee (6 in Champions League e 2 in Europa League) per un totale di 36 presenze e 2 gol.Non rientrando più nei piani della società, in seguito alla mancata cessione nel calciomercato estivo del 2010 Grosso fu messo fuori rosa. Tornò in gruppo nei primi giorni di settembre, debuttando come titolare non prima del 7 novembre 2010 contro il Cesena (3-1 per la Juventus) e ciò per effetto dei molti infortuni che colpirono la squadra e nonostante la contrarietà di qualche dirigente. Tornato una riserva e rimasto ai margini della rosa per due mesi, fu nuovamente utilizzato, da titolare, nella trasferta contro la Roma del 3 aprile 2011, in cui fu l'autore degli assist per i due gol con cui la sua squadra vinse. Chiuse la stagione con 19 presenze in campionato e 2 in Coppa Italia.La stagione successiva fu relegato nuovamente ai margini della squadra in quanto non facente più parte dei piani tecnici di Antonio Conte. Nonostante ciò il 18 settembre 2011 giocò da titolare nella partita esterna contro il Siena terminata 0-1. Firmò la seconda presenza in questa stagione il 25 settembre contro il Catania, dopodiché non venne più preso in considerazione dal tecnico Antonio Conte. A fine anno vinse lo scudetto con una giornata d'anticipo; nonostante ciò fu l'unico della rosa juventina a non partecipare alla cerimonia di premiazione avvenuta allo Juventus Stadium il 13 maggio 2012. A fine stagione rimase svincolato, per poi ritirarsi dall'attività agonistica il 5 dicembre successivo.
Mondiali 2006
Grosso integrò il gruppo dei 23 calciatori italiani vincitori del campionato del mondo 2006. Inizialmente impiegato come riserva, divenne titolare a cominciare dalla terza partita del torneo, contro la Rep. Ceca, dimostrandosi da lì in poi determinante per la squadra. Al 3' di recupero degli ottavi di finale contro l'Australia si procurò un rigore poi realizzato da Francesco Totti, che permise all'Italia di passare il turno, pur avendo giocato quasi tutto il secondo tempo in inferiorità numerica.Il 4 luglio, nella semifinale contro la Germania segnò il gol che sbloccò la partita al 119' dei tempi supplementari, quando da un calcio d'angolo di Del Piero, il pallone arrivò sui piedi di Andrea Pirlo, che servì Grosso smarcato dentro l'area di rigore avversaria; quest'ultimo s'inventò un tiro a giro d'interno sinistro, di prima intenzione, che superò Jens Lehmann sul palo più lontano siglando l'1-0 a un minuto dalla fine della partita. Al 120' arrivò il 2-0 di Alessandro Del Piero e l'Italia conquistò la finale contro la Francia.Il 9 luglio, nella finale di Berlino risoltasi ai tiri di rigore dopo l'1-1 dei tempi regolamentari e di quelli supplementari, Grosso entrò nella storia del calcio italiano realizzando il quinto e ultimo tiro della sua squadra, chiudendo la partita sul punteggio di 5-3 d.c.r. con cui l'Italia conquistò il suo quarto successo nella competizione, a 24 anni di distanza dall'ultimo.
2007 - 2009
All'inizio della gestione tecnica di Roberto Donadoni, Grosso non fu convocato a causa di alcuni infortuni. Tornò a essere selezionato nel 2007, e il 13 ottobre a Genova realizzò il suo terzo gol in Nazionale in occasione di Italia-Georgia (2-0), partita valida per le qualificazioni a Euro 2008.Grosso fu quindi convocato per il campionato d'Europa 2008 e, all'esordio contro i Paesi Bassi (vittoriosi per 0-3), cominciò come riserva subentrando nel secondo tempo. In seguito guadagnò la titolarità per le restanti gare del girone, contro Romania e Francia, giocando ancora positivamente. L'Italia raggiunse i quarti di finale che la videro opposta alla Spagna, e Grosso realizzò il primo tiro di rigore nella serie necessaria per assegnare la vittoria, allorché la partita si protrasse oltre i tempi regolamentari e supplementari sullo 0-0; tuttavia i successivi errori dei suoi compagni fecero sì che a passare il turno fossero gli avversari, in forza del punteggio di 4-2.In seguito Grosso fu chiamato a far parte della nazionale anche da Lippi, tornato alla guida della squadra, disputando così la FIFA Confederations Cup 2009, dove l'Italia non superò il girone eliminatorio. Poche settimane dopo, il 9 settembre 2009, Grosso realizzò un gol nella partita Italia-Bulgaria (2-0), valida per le qualificazioni al Mondiale 2010 e tenutasi a Torino.L'anno seguente fu incluso nella lista preliminare dei 30 giocatori scelti per partecipare al Mondiale, tuttavia il 17 maggio fu depennato assieme all'allora compagno di squadra Antonio Candreva.[
