Varakkaassa perheessä varttunut Karl Gustaf Johannes eli Gösta osallistui jo lapsuudessaan maataloustöihin. Hän päätti tehdä maataloudesta elämäntyönsä. Grotenfelt valmistui Keisarillisesta Aleksanterin yliopistosta vuonna 1877 pääaineenaan kasvitiede ja täydensi sitten opintojaan Kööpenhaminan maatalouskorkeakoulussa.
Suomeen palattuaan Grotenfelt hoiti veljensä kanssa kotikartanoaan ja sen meijerikoulua. Hän toi osuusmeijeritoiminnan Suomeen ja toimi meijerikoulujen tarkastajana. Grotenfelt nimitettiin vuonna 1891 Mustialan maanviljelys- ja meijeriopiston johtajaksi. Mustiala oli Suomen korkein maatalousoppilaitos ennen kuin opetus siirtyi Helsingin yliopistoon. Myöhemmin Grotenfeltista tuli maanviljelysopin professori ja Valtion maanviljelystaloudellisen koelaitoksen kasvinviljelysosaston johtaja.
Grotenfelt käsitteli kirjoituksissaan lukuisia tärkeitä aiheita, kuten maitotaloutta ja bakteriologiaa, peltokasvien viljelyä sekä maatalouskoneita ja -työvälineitä. Hän perusti Mustialaan maatalousmuseon, johon keräsi itse suuren osan esineistä. Ne kuuluvat nykyään Tiedemuseo Liekin ja Suomen maatalousmuseo Saran kokoelmiin.