1944 gewann er als Kandidat der oppositionellen Partido Revolucionario Cubano (Auténticos) die Präsidentschaftswahlen, nachdem seit 1940 Batista als gewählter Präsident regiert hatte. Grau blieb bis zum Ablauf seiner Amtsperiode 1948 im Amt. Durch Korruptionsaffären geriet seine Amtsführung allerdings ins Zwielicht und ein bedeutender Flügel seiner Partei um Eduardo Chibás spaltete sich 1947 ab und gründete die konkurrierende Partido del Pueblo Cubano (Ortodoxos). 1948 übergab Grau sein Amt an den ihm eng verbundenen Carlos Prío und zog sich zunächst ins Privatleben zurück. 1954 und 1958 kandidierte er zwar nochmals für das Präsidentenamt, zog seine Kandidatur aber jeweils kurz vor dem Wahltermin mit dem Vorwurf der Wahlfälschung durch Batista zurück. Nach der kubanischen Revolution von 1959 blieb Grau Privatmann und starb 1969 in seinem Haus in Havanna.