W seniorskiej kadrze zadebiutował 27 marca 1999 roku w przegranym 1:2 spotkaniu przeciwko Włochom. Następnie Bo Johansson powołał go do 23-osobowej kadry na Euro 2000, na których Duńczycy odpadli już w rundzie grupowej. Pierwszą bramkę dla drużyny narodowej Grønkjær zdobył 25 kwietnia 2001 roku, kiedy to Dania wygrała 3:0 ze Słowenią. W 2002 roku wychowanek Aalborg BK znalazł się w kadrze Mortena Olsena na mistrzostwa świata. Na boiskach Korei Południowej i Japonii w 1/8 finału Duńczycy zostali wyeliminowani przez Anglików, z którymi przegrali 0:3. Kolejnym wielkim turniejem w karierze Grønkjæra były Mistrzostwa Europy 2004. Tym razem „Gang Olsena” dotarł do ćwierćfinału, w którym lepsi okazali się Czesi. Na Euro były zawodnik Chelsea strzelił jedną bramkę w pojedynku przeciwko Bułgarii, kiedy to w 92. minucie ustalił wynik meczu na 2:0. 18 sierpnia 2004 roku Grønkjær zaliczył swój 50 występ dla reprezentacji swojego kraju, a Duńczycy pokonali Polaków 5:1. Obecnie zawodnik ten ma na koncie 80 meczów dla zespołu narodowego i pięć goli.