Die Detroit Red Wings wählten ihn daraufhin im NHL Entry Draft 2001 in der zweiten Runde an Position 62 aus. Grigorenko etablierte sich schnell als Stammspieler im Superliga-Kader von HK Lada Toljatti und gewann 2002 mit der U20-Nationalmannschaft die Goldmedaille bei der Junioren-Weltmeisterschaft. Bei der 2003 wiederholte er mit der U20-Nationalmannschaft den Triumph und war bester Scorer des Turniers mit sechs Toren und vier Assists. Zudem führte er die Scorerliste von HK Lada Toljatti in der Saison 2002/03 mit 30 Punkten an und wurde erstmals in den A-Kader der russischen Nationalmannschaft für die Eishockey-Weltmeisterschaft 2003 berufen, wo er in der ersten Angriffsreihe zusammen mit den NHL-Spielern Pawel Dazjuk und Ilja Kowaltschuk stürmte. Sie scheiterten jedoch im Viertelfinale.