Ha lavorato prevalentemente in produzioni danesi, fin dalla seconda metà degli anni ottanta, recitando in carriera in diverse pellicole dirette da celebri registi del suo paese, quali Henning Carlsen, Ole Bornedal, Susanne Bier e Lars von Trier. È nota al grande pubblico per essere la protagonista femminile di due serie televisive di successo degli ultimi anni, quali The Killing (2007-2012, dove veste i panni del detective Sarah Lund) e Fortitude (2015, dove recita nel ruolo della governatrice Hildur Odegard). In particolare The Killing è una serie che ha avuto notevole successo internazionale dopo il remake statunitense del 2011: per la sua interpretazione, la Gråbøl ha ottenuto diversi premi[1], tra cui una nomination all'Emmy Award (2008)[2] e un BAFTA Award, vinto nel 2011 e condiviso col resto del cast principale.
