גרנהולם, שנתפשה בעיני רבים כ"פרצוף רענן" בפוליטיקה של מישיגן אחרי ממשל אנגלר בן תריסר השנים, גייסה יותר כסף מבלנצ'ארד ומבוניאור והובילה עליהם בעקביות בסקרי דעת הקהל בפערים ניכרים. מסע הבחירות שלה שלה הוביל להגדלת אחוז ההצבעה בקרב נשים, ובבחירות המקדימות זכתה עם 499,129 (47.69%) מכלל הקולות. המושל לשעבר בלאנצ'ארד סיים אחרון את הבחירות המקדימות עם 24.32% מהקולות, וביניהם ניצב בוניאור שגרף כ-28% מהקולות.
במערכת הבחירות הכלליות הייתה גרנהולם הפייבוריטית לניצחון, ונהנתה מתמיכה חזקה מאת אפרו-אמריקאים, מצביעים מתחת לגיל 30, ונשים. גרנהולם מיקדה את מסע הבחירות שלה בשיעור הפשיעה, ונתפסה ככריזמטית יותר מאשר דיק פוסתומוס. אף על פי שמבחינה לאומית המפלגה הרפובליקנית רשמה הישגים נאים בבחירות האמצע ב-2002, בהן נטלו את הרוב בסנאט של ארצות הברית מידי הדמוקרטים והעמיקו את אחיזתם בבית הנבחרים, גרנהולם גברה על פוסתומוס בפער בן 1,633,796 קולות, וזכתה ב-51.42% מקולות הבוחרים.
כהונה ראשונה: 2003–2007.
ב-1 בינואר 2003, גרנהולם הושבעה כמושלת ה-37 של מדינת מישיגן. עם השבעתה, בנוסף להיותה האישה הראשונה בתפקיד מושל מישיגן, היא גם הפכה למושלת השלישית במדינה שלא הייתה אזרחית-מלידה של ארצות הברית, והרביעית שנולדה מחוץ לשטחי ארצות הברית. שני המושלים הקודמים שלא היו אזרחים-מלידה היו פרד וורנר , שנולד בנוטינגהאמשייר שבאנגליה והיה המושל ה-26 בשנים 1905–1911, וג'ון סווינסון , שנולד גם הוא בקנדה והיה המושל ה-42 בין השנים 1961–1963. המושל לשעבר ג'ורג' רומני, שנולד במקסיקו והיה המושל ה-27 בשנים 1963–1969, היה אזרח-מלידה על אף שנולד מחוץ לארצות הברית בשל היות הוריו אזרחים אמריקאים למהדרין.
גרנהולם הדגישה את הצורך של מישיגן למשוך אליה אנשים צעירים ובתי עסק באמצעות "יוזמת ערים מגניבות" (Cool Cities Initiative). כמושלת, היא הייתה חברה באגודת המושלים הלאומית, יושבת ראש ועדת הבריאות ושירותי האנוש של האגודה וכיהנה ביחד עם מושל נוסף כיו"ר כוח המשימה של האגודה בתחום בריאות הציבור. בעבר אף הייתה יו"ר אגודת המושלים הלאומית של המערב התיכון. בתקופת כהונתה התגוררה במעון הרשמי של מושל מישיגן, השוכן בסמוך לקפיטול מדינת מישיגן. בשנת 2003 גרנהולם רצה חמישה קילומטרים על פני גשר מקינאק (Mackinac), שמחבר בין חצי האי העליון של מישיגן לזה התחתון, תוך 47 דקות בלבד במהלך הצעדה על גשר מקינאק ביום העבודה. ריצתה על הגשר החלה מסורת חדשה של ריצת המושל המכהן על הגשר ביום העבודה.
במהלך השנה הראשונה של גרנהולם בתפקיד המושלת, היא נקטה במספר צעדים לקיצוץ תקציב המדינה של מישיגן כדי להתמודד עם גירעון תקציבי בן 1.7 מיליארד דולר אמריקני (כ-2% מתקציב המדינה השנתי). היא הייתה מוטרדת מההצעות לקצץ במימון המדינתי של תוכניות רווחה חברתית, כמו סיוע ממשלתי לדרי רחוב וסוכנויות ממשלתיות למען בריאות הנפש. מאז כהונתה הראשונה הייתה תומכת עקבית ברפורמה במערכת החינוך של מישיגן. בנאום מצב האומה שלה מ-2003, הכריזה גרנהולם על מיזם בשם "התחלה גדולה" ששם לו למטרה להתמקד בחינוך לילדים עד גיל חמש. מיזם זה תיאם, בין היתר, מאמצים ציבוריים ופרטיים לעידוד חינוך הורים צעירים.
גרנהולם הטעימה את ההשכלה והחינוך האקדמיים עבור תושבי מישיגן בעקבות הירידה במשרות הייצור במדינה, שרבות מהן לא דרשו תואר אקדמי. בשנת 2004 ביקשה מסגן המושל ג'ון שרי להוביל את "הוועדה להשכלה גבוהה וצמיחה כלכלית" כדי להכפיל את מספר בוגרי האוניברסיטאות במישיגן. רבות מהמלצות הוועדה מוסדו כחוקים בתקופת כהונתה של גרנהולם כמושלת, למשל העלאת הרף לסיום לימודים תיכוניים ("תוכנית הלימודים למצוינות של מישיגן") כך שכל תלמיד תיכון במישיגן ישתתף בתוכנית מכינה ללימודים גבוהים הכוללת ארבע שנות לימוד של מתמטיקה ואנגלית או שפה אחרת, ושלוש שנות לימוד של מדעי החברה, תוכנית שנכנסה לתוקף עבור תלמידים כשהחלו ללמוד בתיכון בסתיו 2006.
בטקס חלוקת פרסים שהתקיים ב-28 באוקטובר 2004, הוכנסה גרנהולם ל"היכל התהילה לנשים במישיגן". היא גם זכתה בפרס "הצעירים והמצטיינים של מישיגן" מארגון לשכת הצעירים של ארצות הברית ובפרס "אשת השנה" של ארגון ימק"א. במהלך הבחירות לנשיאות ארצות הברית 2004 במישיגן, גרנהולם קידמה את התומדדותו של המועמד הדמוקרטי ג'ון קרי אחרי שסקרי דעת הקהל הצביעו על יתרון קל במישיגן עבור הנשיא המכהן ג'ורג' ווקר בוש. היא טענה כי כלכלת ארצות הברית היא הדאגה האמיתית של תושבי מישיגן ולא מלחמת עיראק או המלחמה העולמית בטרור, באומרה כי
בפברואר 2005 סירב בית המחוקקים במישיגן — שנשלט אז בידי המפלגה הרפובליקנית — להצביע בעד תקציב המדינה של גרנהולם, באמתלת הקיצוץ במימון המדינה במתן השכלה גבוהה. בשנים הקודמות לכהונתה של גרנהולם, קיצוצים במימון המדינתי להשכלה גבוהה נדרשו ונידונו בבית המחוקקים בשאיפה לאזן את תקציב מדינת מישיגן. שנה לפני כן, ב-2004, כינו המנהיגים הרפובליקנים את גרנהולם כ"מושלת אל-תעשי דבר" בטענה שלא הצליחה להנהיג, ואילו הדמוקרטים האשימו את הרפובליקנים המחוקקים כמי שלא מוכנים להגיע לעמק השווה. בינואר 2005 הציגה גרנהולם הצעה ראשונית לתקציב המדינה, דרשה תגובה מידית מבית המחוקקים וקיימה מסיבת עיתונאים המפרטת את עיקרי התקציב המוצע. לאחר שסירבו לשקול, לדון או להצביע בנוגע לתקציב המוצע, הצהירו הרפובליקנים כי יעדיפו אם הרשות המחוקקת תהא מעורבת יותר בבניית תקציב המדינה.
מאז שנת 2000, חלו תמורות שליליות בכלכלת מישיגן ומקומות עבודה רבים החלו להיאבד, בעיקר בגלל הנסיגה בענף הייצור התעשייתי בארצות הברית. גרנהולם תמכה בצעדי הגוונה (diversification) בכלכלה של מישיגן הרחק מהסתמכותה ההיסטורית על ייצור כלי רכב. היא הורתה להזרים 21 מיליארד דולר ל"קרן המאה העשרים ואחת", זאת במטרה ליצור משרות במישיגן בתחומי מדעי החיים, אנרגיה חלופית, ייצור מתקדם וביטחון פנים. גרנהולם תמכה גם במתן עבודות באנרגיה חלופות למישיגן כדי להחליף עבודות ייצור של כלי רכב אשר נעלמו.
בחירות 2006.
במהלך בחירות אמצע הכהונה ב-2006 התמודדה גרנהולם לתקופת כהונה שנייה. יריבה הרפובליקני היה דיק דבוס, בעלה של מי שלימים תהיה מזכירת מחלקת החינוך של ארצות הברית בטסי דבוס. בבחירות הכלליות, הן מטה הבחירות של גרנהולם והן המפלגה הדמוקרטית במישיגן פרסמו תעמולה טלוויזיונית בהפקתו של היועץ הפוליטי ג'ו סלייד וייט, והתמקדו במאמציה של גרנהולם להפיח רוח חיים בכלכלת מישיגן. גרנהולם והדמוקרטים האשימו את דבוס בקיצוץ משרות במישיגן כאשר ניהל את חברת השיווק הרשתי "Amway". בסופו של דבר גרנהולם נבחרה בקלות לתקופת כהונה שנייה עם כ-56% מקולות הבוחרים, בשעה שדבוס גרף כ-42% בלבד, על אף שהוציא כ-35 מיליון דולר על מסע הבחירות שלו. ביחס לבחירות ב-2002, גרנהולם העלתה את אחוז ההצבעה לה ב-4.9%.
כהונה שנייה: 2007–2011.
בחירות האמצע בשנת 2006 סימנו את חזרת הדמוקרטים לרוב בבית הנבחרים של מדינת מישיגן, בשעה שהסנאט המדינתי נותר בידי הרפובליקנים. חלוקת הכוח המפלגתית החדשה במישיגן הובילה לעימותים בין גרנהולם לבין הסנאט הרפובליקני על תקציב המדינה לשנה הפיזיקלית של 2008. עימותים אלה הביאו להשבתה בת ארבע שעות בשירותי המדינה הלא-חיוניים בשעות הבוקר המוקדמות של יום 1 באוקטובר 2007, עד אשר תקציב המדינה הועבר ונחתם. תקציב זה קיצץ בשירותי המדינה, הקפיא את הוצאות המדינה בתחומים כמו אומנויות, הגדיל את מס ההכנסה של המדינה ויצר מערך חדש של מסי שירות על מגוון עסקים, למשל מעליות סקי וחברות עיצוב פנים וגינון, כדי לטפל במחסורים תקציביים. כתוצאה מהתקציב השנוי במחלוקת, מספר משלמי מיסים ותומכי עסקים קראו ל-Recall election נגד גרנהולם ומחוקקים שהצביעו בעד העלאת המיסים.
בסופו של דבר, משבר התקציב הביא את חברת סטנדרד אנד פורס להוריד את דירוג האשראי של מישיגן מ-AA למינוס AA. בנוסף, המשבר תרם לצמצום בשיעור התמיכה הציבורית של גרנהולם, שהחל ב-43% באוגוסט 2007 וצנח ל-32% בדצמבר אותה השנה. בכך נמנתה בין המושלים בעלי שיעור התמיכה הנמוך ביותר בכלל מדינות ארצות הברית.
בשנת 2007 הציעה גרנהולם את "חוק אף עובד לא נותר מאחור" (No Worker Left Behind Act),שהעניק הכשרה חינמית בת שנתיים או לימודים במכללה קהילתית לעובדים מובטלים או כאלה שנעקרו ממשרתם. מאז חתימת החוק באוגוסט 2007, למעלה מ-130,000 איש נרשמו להסבה מקצועית. התוכנית הגדילה את הסיוע בשכר הלימוד בסכום של 5,000 דולר לשנה במשך שנתיים, וכיסתה הסבה מקצועית במקצועות להם הביקוש היה גבוהה כמו בייצורים התעשייתיים. מחלקת האנרגיה, העבודה והצמיחה הכלכלית של מישיגן דיווחה עוד באוקטובר 2009 כי 62,206 אנשים נרשמו לתוכנית שהוצעה בחוק וכי מבין 34,355 האנשים שסיימו הכשרה, 72% מצאו עבודה או שמרו על משרתם ועוד 18,000 נותרו בהכשרה לטווח הארוך.