Olympialaisissa Grøttumsbråten voitti 1924 Chamonix'ssa 18 kilometrin hiihdossa hopeaa ja 50 kilometrin hiihdossa sekä yhdistetyn kilpailussa pronssia. Sekä 1928 Sankt Moritzissa että 1932 Lake Placidissa hän voitti yhdistetyssä olympiakultaa. Sankt Moritzissa hän voitti lisäksi 18 kilometrin hiihtokilpailun. Lake Placidissa hän sijoittui 18 kilometrillä kuudenneksi.