1994 wurde Grötsch Mitglied der SPD und der Jusos. Von 1998 bis 2006 war er Vorsitzender des Juso-Unterbezirks Weiden-Neustadt-Tirschenreuth. Seit 2013 ist er Vorsitzender des SPD-Unterbezirks Weiden-Neustadt-Tirschenreuth sowie stellvertretender Vorsitzender des SPD-Bezirks Oberpfalz.[2] Seit 2008 ist er Kreisrat im Landkreis Neustadt an der Waldnaab. Von Dezember 2017 bis Dezember 2021 war Grötsch Mitglied im Bundesvorstand der SPD.[3]
Von 2013 bis 2023 war Grötsch ordentliches Mitglied im Innenausschuss. Im Oktober 2014 wurde Grötsch in das Parlamentarische Kontrollgremium des Deutschen Bundestages gewählt, das die Nachrichtendienste des Bundes kontrolliert. 2018 und 2022 wurde er erneut in das Gremium gewählt und war damit das dienstälteste Mitglied. Am 9. November 2023 wurde Dirk Wiese als sein Nachfolger in das Gremium gewählt.[7]
Der Landesparteitag der BayernSPD wählte Uli Grötsch am 20. Mai 2017 und am 26. Januar 2019 zum Generalsekretär.[10] Im April 2021 kandidierte Grötsch als Einzelkandidat um den Vorsitz der BayernSPD. Es kam nicht zu seiner Wahl, da die Teilnehmer des Parteitags knapp für den Beibehalt einer Doppelspitze votierten.
In einem Hörfunkinterview im September 2024 beschrieb Grötsch seine Arbeit als unabhängige Ansprechstelle für Bürger sowie als Stelle, an die sich alle Polizisten vertrauensvoll wenden können - ohne Einhaltung des üblichen Dienstwegs.[14]