W 1959 rozpoczął pracę w Institut des hautes études scientifiques, gdzie prowadził nazywane stolicą geometrii algebraicznej. Grothendieck planował tam napisanie 13-tomowego wykładu geometrii algebraicznej „Elements de Geometrie Algebrique” w oparciu o schematy, kończącego się dowodem hipotez Weila. Wydane zostały tylko 4 tomy, napisane wspólnie z Dieudonném, ale duża część dalszego materiału ukazała się w „Seminaire de Geometrie Algebriąue” — publikacjach z seminarium geometrii algebraicznej w IHES. Najważniejszym jednak tematem badań Grothendiecka w IHES była teoria kohomologii etalnych.

W roku 1966 Grothendieck otrzymał Medal Fieldsa za wkład wniesiony do analizy funkcjonalnej, za twierdzenie Grothendiecka-Riemanna-Rocha i za wkład w teorię schematów.

W roku 1970 przypadkowo odkrył, że część pieniędzy na finansowanie IHES pochodziła ze źródeł wojskowych. Z tego powodu przeniósł się do Collège de France, gdzie oprócz działalności naukowej utworzył wraz z innymi matematykami grupę ekologiczną („Przeżyć i żyć”). W latach 1970–1975 wydawała ona czasopismo pod tym samym tytułem. Ekologia zajmowała go bez reszty, co odbiło się na jego wykładach na uczelni. Przyjął wówczas propozycję profesury na macierzystym uniwersytecie w Montpellier.