Den 21 februari 2001 upphöjde påve Johannes Paulus II Grocholewski till kardinaldiakon med San Nicola in Carcere som diakonia; tio år senare blev han kardinalpräst "pro hac vice". Han deltog i konklaven 2005, vilken valde Benedikt XVI till ny påve samt vid konklaven 2013, som valde Franciskus.