Sa belle saison 1988 ouvre enfin à Grouillard les portes de la Formule 1. En 1989, il est en effet recruté par l'écurie Ligier, alors au fond du gouffre. Après des débuts assez prometteurs, et notamment une belle sixième place au Grand Prix de France, il tombe en disgrâce au sein de l'écurie et sa saison d'apprentissage se transforme en calvaire. Non retenu par Ligier, il passe en 1990 dans l'écurie italienne Osella, qui prend l'année suivante le nom de Fondmetal, mais sans succès puisqu'il ne parvient pas à inscrire le moindre point et essuie même plusieurs non-qualifications. Et ses quelques coups d'éclat en qualification (neuvième à Phoenix en 1990 et dixième à Mexico 1991) ne débouchent sur aucun résultat en course. Limogé par Fondmetal à quelques manches de la fin de la saison 1991, il passe chez AGS mais son unique prestation au sein de la petite structure varoise, en Grand Prix d'Espagne se solde par une non-qualification. En 1992, Grouillard semble en mesure de relancer sa carrière en signant chez Tyrrell, une écurie alors en proie à d'importantes difficultés financières. Victime de plusieurs ennuis mécaniques, mais également auteur de plusieurs erreurs de pilotage, il ne rallie l'arrivée qu'à quatre reprises et obtient son meilleur résultat au Grand Prix de Saint-Marin qu'il termine en , hors des points.