Nel 1848, con il consenso dei genitori, a 15 anni, entrò nel convento dei Frati Minori di Bologna; il 2 novembre dello stesso anno fu mandato a Montiano (Forlì) per il noviziato cambiando il nome di Pier Luigi in Gregorio Maria. Superato con forza e volontà il duro periodo del noviziato che in questo convento a sud di Cesena, era particolarmente rigido alla regola, fece la sua professione il 14 dicembre 1849.
Da Montiano passò a Parma e poi a Bologna per completare gli studi liceali e teologici; nell'agosto 1856 fu ordinato sacerdote. Sentendo in lui sempre più forte l'ideale missionario, ottenne dai superiori di andare a Roma al fiorente Collegio Francescano per le Missioni. 

Nel 1861 con un drappello di missionari della sua congregazione e con la benedizione del Beato Pio IX (Giovanni Maria Mastai Ferretti, 1846-1878), partì per l'Estremo Oriente. A fine ottobre 1861 giunse alla meta assegnatagli, lo Scian-tong, accolto da un suo lontano parente, il Vicario Apostolico Moccagatta anch'egli di Castellazzo. Ma non restò molto nello Scian-tong, perché ebbe la disposizione di spostarsi nella lontana provincia cinese dello Scianxi con capitale Taiyuan. Per la sua conoscenza del cinese gli fu dato l'incarico di rettore del seminario locale e confessore del numeroso orfanotrofio femminile, con la cura dei cristiani del circondario, cui si recava nelle feste principali per l'apostolato diretto. 
Era particolarmente cultore del canto, che nelle modulazioni semplici dei cinesi, assumevano una struggente melodia, tutte le devozioni pubbliche in Cina sono accompagnate dal canto. 

Padre Gregorio Grassi trascorse i primi 12 anni, acquistando una preziosa esperienza dei luoghi e degli uomini, che sarà utilissima per la sua lunga carriera missionaria. 

A 43 anni dopo la morte improvvisa di mons. Carnevale, coadiutore del Vicario Apostolico Moccagatta, molto anziano; padre Gregorio Maria Grassi fu scelto a succedergli e il 19 novembre 1876 venne consacrato vescovo titolare di Ortosia, con diritto di successione nello Shanxi, nella cattedrale di Taiyuan da parte del Vicario Apostolico di Pechino, che sostituì mons. Moccagatta gravemente ammalato. 
Messosi subito all'opera, iniziò la visita pastorale nell'immenso territorio. Mentre si raccoglievano i frutti di questa fervorosa attività, la Cina nel 1878 fu colpita da una carestia a cui fece seguito una epidemia di peste e mons. Grassi fu uno dei primi ad essere colpito, mentre curava gli ammalati; stette sedici giorni fra la vita e la morte prima di riprendersi e scampare alla pestilenza. 

Ripresosi dalla lunga convalescenza, si rimise in viaggio, prima sui "Monti Occidentali" poi alla Prefettura di Lu-ngan-fu; nel 1886 lo si trova al di là della Grande Muraglia, dappertutto visitando gli sperduti villaggi, ancora in preda alla miseria della passata carestia, confortando e confermando i cinesi cristiani che da tempo non vedevano un missionario, figuriamoci un vescovo. 

La sua intensa, lunga attività missionaria è documentata dalla sua numerosa corrispondenza epistolare, dove racconta le conquiste apostoliche, la gioia delle conversioni, le tribolazioni subite, la consolazione di avere come collaboratori attivi missionari e buoni catechisti cinesi. Il 6 settembre 1891 moriva mons. Moccagatta e quindi tutta la responsabilità del Vicariato dello Shan-si ricadde su di lui; il suo impegno aumentò e furono costruite scuole di ogni tipo, ampliate quelle esistenti, consolidò il Seminario indigeno; facilitò e progettò il primo convento francescano nel 1891 a Tong-eul-kon. 
Nei suoi 40 anni di missione, edificò, riparò o abbellì circa 60 chiese ed oratori; cominciò la costruzione del grande ospedale a Taiyuan, demolito durante la persecuzione; curò l'accoglienza e la crescita di oltre 200 orfanelle da lui affidate alle Suore chiamate ad aiutarlo. 

Il 27 giugno 1900, cominciarono a Taiyuan le avvisaglie della persecuzione operata dai Boxer, comandati dal sanguinario viceré Yü-sien e scatenata dall'imperatrice settantenne Tz-hsi: furono bruciate le case e la chiesa dei Protestanti, i quali essendo più ricchi, furono attaccati per primi. Nonostante qualche tentativo non riuscito, di mettere in salvo i seminaristi e qualche sacerdote più anziano, il viceré l'indomani fece trasferire l'Orfanotrofio in una pagoda buddista. 
Il 5 luglio i due vescovi Grassi e Fogolla, che lo coadiuvava, i missionari, le suore, i seminaristi e dieci fedeli domestici cristiani, furono condotti con dei carri, scortati dai mandarini e dai soldati, che in teoria dovevano proteggerli, in un edificio-albergo, in pratica una specie di prigione, dove rimasero fino al 9 luglio 1900, quando con un inganno, furono tutti trasportati nel cortile del tribunale di Taiyuan verso le quattro del pomeriggio e lì a colpi di sciabolate vennero tutti massacrati e molti decapitati, per ultime le suore; assieme a loro furono uccisi anche missionari protestanti. 
I loro corpi mutilati furono poi ammassati in una fossa comune alle mura della città, presso la Grande Porta Orientale, dove rimasero per tre giorni, in pasto ai cani ed agli uccelli rapaci. Poi per paura di una pestilenza, furono sepolti alla rinfusa fuori le mura, assieme alle ossa anonime di mendicanti e giustiziati.