Två snabba Omar Bogle mål precis innan halvtid gav Grimsby kontroll.
Forest Green kämpade tillbaka efter pausen och Keanu Marsh-Browns fantastiska mål minskade deras underskott efter Jon Parkin hade missat från sex meter.
Men Grimsby - spela i slutspelen för ett fjärde år i rad - slog en sent tredje genom Nathan Arnold.
Paul Hursts sida, som förlorade mot Bristol Rovers på straff i förra årets final, hade sett Arnolds långdistansstrejk tippa på posten strax innan han tog ledningen i Wembley.
Bogle tittade sedan i Jon Nolans free-kick via Rovers' Darren Carters rygg för att öppna poäng, innan volleying in från sex meter på rebound till dubbla Grimsby ledning bara en minut senare.
Forest Green introducerade substitut Parkin vid halvtid och den 34-årige före detta Preston anfallares närvaro förändrade spelet.
Parkin kunde bara träffa sidonätet från Forest Greens bästa chans, inne i sexyard boxen, innan Marsh-Browns söta, dipping strejk gav dem hopp.
Men Forest Green, som hade avslutat nio poäng över Grimsby i ligan bordet, kunde inte hitta en equalizer trots en uppgiven kamp tillbaka.
Rovers, som sparkade manager Ady Pennock en vecka innan starten av sin semifinal mot Dover för att "öka sina chanser i play-offs", hade satt en femte-tier rekord av nio raka segrar för att starta säsongen, innan de blev slagna till ligan titeln av Cheltenham Town.
Efter att ha avslutat i sin högsta någonsin liga position i andra, leddes de på Wembley av vaktmästare chefen Scott Bartlett, medan nästa säsong chef, Mark Cooper, erbjöd vägledning från utgrävningen.
Men Nailsworth klubben - som hade hoppats på att göra sin hemstad till den minsta bosättningen någonsin värd en Football League klubb - såg sin befordran förhoppningar rasade i play-offs för andra året i rad.
Arnold, som hade ett lågt skott sparat med 15 minuter att spela, avslutade segern i stoppage tid, stoppa in på rebound för att avsluta Forest Greens förhoppningar om en sen twist.
De befordrade marinsoldaterna återvänder till Wembley den 22 maj för FA Trophy finalen mot FC Halifax.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Grimsby chefen Paul Hurst sade till BBC Radio Humberside: " Jag är ganska avslappnad. Jag känner mig lugn. Det är en fantastisk prestation.
"Dessa spelare, med rätta, kommer att gå ner i klubbens historia.
"Det är långt ifrån gjort arbete ännu - vi vill se till att vi är en Football League klubb för en lång tid framöver och, om möjligt, se om vi kan flytta klubben ännu längre framåt."
Forest Green Rovers anfallare Jon Parkin sade till BBC Radio Gloucestershire: " Det var bara en galen fem minuter i första halvan som satte oss på den bakre foten.
"I andra halvan har vi kommit ut och gjort ett riktigt försök. (Vi hade) ett par chanser, borde ha gjort mål och det är ett helt annat spel.
"Men det är skillnaden - de tog sina chanser, det gjorde vi inte."
Grimsby Town återvände till Football League efter sex års frånvaro med seger över Forest Green Rovers i National League promotion final.