Во время Отечественной войны 1812 года Гротенгельм отличился в сражениях при Борисове и на Березине. По изгнании Наполеона из пределов России Гротенгельм был в Заграничном походе русской армии и сражался в Пруссии при Лютцене, Дрездене, Кенигсварте, Бауцене, Кульме, Лейпциге. В 1814 году он в чине ротмистра был в сражениях во Франции при Бар-сюр-Об, Арси-сюр-Об, Труа, Фер-Шампенуазе и завершил своё участие в Наполеоновских войнах штурмом Монмартрских высот Парижа, после чего был назначен адъютантом к принцу Евгению Вюртембергскому. 18 марта 1814 года Гротенгельм был награждён золотым оружием с надписью «За храбрость».