På besøk i hjembyen Buffalo i uke 16 tok Gronkowski imot to touchdownpasninger i kamp mot Buffalo Bills. I sesongfinalen mot Miami Dolphins fikk han sin første kamp med over 100 mottatte yards, da han tok imot seks pasninger for 102 yards og en touchdown, som gav ham 10 touchdowns i sesongen. I løpet av 16 kamper var Gronkowski starter 11 ganger og tok imot 42 pasninger for 546 yards. Til tross for at han gikk glipp av hele 2009-sesongen i college etter en ryggoperasjon gikk Gronkowski ikke glipp av en eneste kamp eller treningsøkt i 2010-sesongen; han var den første tight enden siden sammenslåingen av AFL og NFL som scoret ti touchdowns i sitt første år i ligaen. Patriots avsluttet sesongen 14–2 og vant divisjonstittelen i AFC East. Gronkowski fikk sin sluttspilldebut mot New York Jets i divisjonsrunden. Han tok imot fire pasninger for 65 yards i kampen, som endte med et overraskende nederlag for Patriots, 28–21.