W cyklu rozgrywkowym WTA w tej konkurencji zadebiutowała w maju 2003 w Berlinie. W parze z Meghann Shaughnessy w pierwszej rundzie przegrały z Caroline Dhenin i Rossaną de los Ríos. We wrześniu z Evie Dominikovic osiągnęła na Bali pierwszy deblowy ćwierćfinał. W lipcu 2004 z Barbarą Rittner w Palermo po raz pierwszy doszła do półfinału. Miesiąc później Grönefeld została finalistką trzech z rzędu turniejów: w Sztokholmie i Cincinnati z Emmanuelle Gagliardi oraz w Vancouver z Els Callens. Z rodaczką Julią Schruff przegrały finał w Filderstadt z Carą Black i Rennae Stubbs.
Pierwszy turniej WTA wygrała w lutym 2005 w Pattayi, partnerując Marion Bartoli. W finale Niemka i Francuzka ograły Martę Domachowską i Silviję Talaję. W maju z Meghann Shaughnessy zagrała w finale prestiżowych zawodów w Rzymie. Na Wimbledonie partnerowała jej Martina Navrátilová. Doszły one do półfinału, pokonane przez Amélie Mauresmo i Swietłanę Kuzniecową. Z utytułowaną Amerykanką wygrała też zmagania w Toronto po finale z Conchitą Martínez i Virginią Ruano Pascual oraz osiągnęła drugi wielkoszlemowy półfinał – w Nowym Jorku. Jesienią wygrała imprezę na Bali z Meghann Shaughnessy. Trzeci półfinał Wielkiego Szlema odnotowała w Australii w 2006 roku.