Grenaa har trods flere voldsomme brande bevaret sit middelalderlige gadeforløb. Centrum er Torvet med byens kirke, hvorfra de to parallelle gader, Storegade og Lillegade, løber mod nordvest. Søndergade fører til Aarhus, mens den ligeledes middelalderlige Mogensgade afgrænser den gamle købstad mod nord. Store- og Lillegade har en del bindingsværksbygninger bevaret, hvoraf de fleste blev opført efter den store brand i 1751. De to gader forbindes af flere tværgående stræder, der afslører bindingsværkskernen i huse med senere renæssancefacader. Bygningerne husede tidligere småindustri og baghaver, der trækker spor tilbage til købstadens kålhaver. Her finder man også flere af byens store købmandsgårde, der indføjer sig i den ubrudte række af gadehuse. I Søndergade 1 ligger den største bevarede købmandsgård, der er opført i 1700-tallet i bindingsværk i to stokværk. Den store hjørnebygning er fredet og huser i dag Museum Østjylland. Som man bevæger sig fra centrum, bliver bygningerne mindre: fra de rige købmænds flerlængede gårdanlæg når man den ydmyge håndværkers hjem bygget i ganske få fag. Helt ude ved bygrænsen ligger dog også den gamle bryggerigård, hvis placering er bestemt af dels adgangen til vand, dels hensyn til brandfaren.
På Torvet finder man Grenaas ældste bevarede rådhus, opført i 1805‑08 i klassicistisk stil og tegnet af Just Møller. Rådhuset fungerede også som arrest, indtil en selvstændig arrest, tegnet af Thomas Arboe, blev opført i 1879. Denne bygning ligger i forlængelse af rådhuset og er, ligesom rådhuset, fredet.
Særligt én person har sat sit præg på Grenaa, nemlig arkitekt og borgmester Mads Christian Thoft. Thoft har bygget i flere stilarter, fra nybarok med bygningen »Djursborg« (1905) på Storegade 1, over skønvirkestil med mejeristboligen på Nytorv (1910), til klassicisme i byens rådhus fra 1936, ligeledes på Nytorv. Brandstationen fra 1908‑09 ved siden af rådhuset blev nedrevet i 1965. På mange af Thofts bygninger finder man hans varemærke, en svungen gavl, der slutter i en svungen trekant.
I det sydlige Grenaa på N P Josiassens Vej 21 ligger Grenaa Gymnasium fra 1961‑63 og udvidet i 1973. Gymnasiet er tegnet af Gravers og Richter og Kjær & Richter. Bygningerne er opført i røde teglsten, og i 2014 blev endnu en tilbygning indviet. Den er også opført i røde teglsten og fremstår som en harmonisk del af gymnasiet. Kjær & Richter står også bag Kattegatcentret fra 1992‑97 samt en tilbygning fra 2005.
