Aštuntajame dešimtmetyje dirbo LTSR valstybinės filharmonijos kadrų skyriuje, vėliau – Leningrado kailių fabrike, buvo LTSR Mokslų akademijos atsakingoji sekretorė. 1983-1990 m. Vilniaus aukštojoje partinėje mokykloje vadovavo Žemės ūkio kabinetui, dėstė Politinės ekonomijos katedroje.
1990-1991 m. buvo Ekonomikos instituto mokslinė sekretorė, trumpai dirbo programų vadove Vyriausybėje ir pradėjo karjerą finansų bei užsienio reikalų politikos srityje.
1991-1993 m. dirbo Tarptautinių ekonominių santykių ministerijos Europos departamento direktore, vėliau ėjo analogiškas pareigas Užsienio reikalų ministerijoje. Tuo metu D. Grybauskaitė vadovavo Lietuvos deryboms su ES dėl laisvosios prekybos sutarties.
1994-1995 m. buvo nepaprastoji pasiuntinė ir įgaliotoji ministrė Lietuvos misijoje prie ES, vyriausiojo derybininko su ES pavaduotoja, 1996-1999 m. – įgaliotoji ministrė Lietuvos ambasadoje JAV.
1999 m. tapusi finansų viceministre, vadovavo Lietuvos deryboms su Tarptautiniu valiutos fondu ir Pasaulio banku. 2000 m. buvo paskirta užsienio reikalų viceministre ir vyriausiojo derybininko su ES pavaduotoja, 2001 m. – finansų ministre.
Šias pareigas D. Grybauskaitė ėjo iki 2004 m., kai Lietuvai tapus ES nare, buvo deleguota į Europos Komisiją. Tų pačių metų lapkritį Europos Parlamentas jai patikėjo eurokomisarės, atsakingos už finansinį programavimą ir biudžetą, pareigas.
2005 m. savaitraštis „European Voice“ paskelbė D. Grybauskaitę Metų komisare už „neišsenkančias pastangas reformuoti ES biudžetą, siekiant kuo didesnę jo išlaidų dalį skirti tyrimams, plėtrai ir kitoms ES veikloms, galinčioms paspartinti ES konkurencingumą“.
Įtakingas JAV dienraštis „Wall Street Journal“ yra pavadinęs ją „geležine ledi“, lygindamas su buvusia Didžiosios Britanijos premjere Margaret Thatcher.
Pastaraisiais metais D. Grybauskaitė negailėjo kritikos Lietuvos valdžiai dėl neribojamų išlaidų, nekompetentingos politikos ir netinkamos kovos su infliacija.
Turi nepaprastosios ir įgaliotosios ambasadorės rangą, kalba lietuvių, anglų, rusų, lenkų ir prancūzų kalbomis. Yra gavusi kovos menų juodą diržą. Netekėjusi.