โหมดผู้เล่นหลายคนของเกม พัฒนาขึ้นพร้อมกับโหมดผู้เล่นคนเดียวโดยมีชื่อเรียกอย่างเป็นทางการว่า แกรนด์เทฟต์ออโตออนไลน์ โดยได้รับการออกแบบให้เป็นประสบการณ์ที่แยกจากกันเพื่อเล่นในโลกที่มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง[169] ซึ่งสามารถรองรับผู้เล่นพร้อมกันบนเซิฟเวอร์ได้สูงสุด 30 คน[lower-alpha 16] มีทั้งการเล่นแบบให้อิสระในการกระทำใด ๆ และการเล่นร่วมกันเพื่อภารกิจในโหมดผู้เล่นคนเดียว[170] โดยมีชุดเครื่องมือที่ช่วยให้ผู้เล่นสร้างพารามิเตอร์สำหรับงานที่ผู้เล่นกำหนดเอง เช่น สนามแข่ง และการแข่งขันเดทแมตช์แบบการสุ่มเกิดของอาวุธ[171] ผู้เล่นยังสามารถร่วมมือกับผู้เล่นคนอื่นในการทำให้งานสำเร็จลุล่วงได้อีกด้วย โดยร็อกสตาร์เกมส์โซเชียลคลับขยายระบบทีมที่สร้างสำหรับโหมดผู้เล่นหลายคนของเกม แม็กซ์เพน 3 ไปยังเกม แกรนด์เทฟต์ออโตออนไลน์ ผู้เล่นสามารถสร้างทีมของตนเองและเข้าร่วมได้สูงสุดห้าคน สมาชิกในทีมชนะการแข่งขันแบบผู้เล่นหลายคนเพื่อรับค่าประสบการณ์และอยู่ในกระดานผู้นำ[172]

แกรนด์เทฟต์ออโตออนไลน์ เปิดให้บริการเมื่อ 1 ตุลาคม 2013 ภายหลัง 2 สัปดาห์ที่ แกรนด์เทฟต์ออโต V วางจำหน่าย[173] โดยผู้เล่นหลายคนประสบกับการเชื่อมต่อที่ยากลำบากและภาพของเกมค้างระหว่างโหลดหน้าจอ[174][175] ร็อกสตาร์ได้มีการแพตช์เพื่อแก้ปัญหาในวันที่ 5 ตุลาคม[176] แต่ปัญหาก็ยังคงอยู่และผู้เล่นบางคนพบอีกว่าความก้าวหน้าตัวละครของพวกเขาหายไป[177] โดยมีการอัปเดตแพตช์เพื่อแก้ปัญหาอีกในวันที่ 10 ตุลาคม[178] และร็อกสตาร์ยังได้ชดเชยโดยการให้เงินภายในเกมจำนวน 500,000$ แก่ผู้เล่นทุกคนที่เชื่อมต่อเข้าเกมตั้งแต่เปิดตัวเพื่อเป็นการตอบแทน[179] เนื่องจากปัญหาทางเทคนิคที่เกิดในตอนเปิดตัว นักวิจารณ์จำนวนมากคร่ำครวญถึงประสบการณ์ในการเล่น แกรนด์เทฟต์ออโตออนไลน์ แต่โดยทั่วไปยอมรับว่าการสำรวจโลกปลายเปิดและเนื้อหาเป็นจุดแข็งของเกม[180][181][182][183][184]

เนื้อหาของเกมหลังวางจำหน่ายยังคงเพิ่มใน แกรนด์เทฟต์ออโตออนไลน์ อย่างต่อเนื่อง การอัปเดตบางครั้งเพิ่มโหมดเกมและคุณสมบัติใหม่[185][186] และเนื้อหาอื่น ๆ ที่เกี่ยวกับรูปแบบการเล่น เช่น การอัปเดตพิเศษวันประกาศอิสรภาพ ที่เพิ่มเนื้อหาเกี่ยวกับความรักชาติเมื่อวันที่ 1 กรกฎาคม 2014[187] จากการคาดการณ์ไว้อย่างกว้างขวาง[188][189] การอัปเดตออนไลน์ไฮสต์เปิดตัวเมื่อวันที่ 10 มีนาคม 2015 และประสบปัญหาทางเทคนิคเบื้องต้นเนื่องจากมีผู้เล่นเข้าใช้งานมากเกินไป[190] หลังจากการวางจำหน่ายเกมเวอร์ชันพีซีไม่นาน ผู้เล่นบางคนรายงานว่าถูกแบนจาก แกรนด์เทฟต์ออโตออนไลน์ เพราะการปรับแต่งขอบเขตภาพและการใช้ม็อดส์ในโหมดผู้เล่นคนเดียว[191] ร็อกสตาร์ระบุไว้ในบล็อกอย่างเป็นทางการว่าไม่มีใครถูกแบนจาก ออนไลน์ สำหรับการใช้ม็อดส์ในโหมดผู้เล่นคนเดียว แต่การอัปเดตล่าสุดสำหรับเวอร์ชันพีซีมี "ผลโดยไม่ตั้งใจ" ในการทำให้ม็อดส์ดังกล่าวไม่สามารถเล่นได้ พวกเขาระบุว่าม็อดส์ไม่ได้รับการอนุญาตและอาจทำให้เกิดปัญหาทางเทคนิคและความไม่เสถียรที่คาดไม่ถึง[192] ออนไลน์ เวอร์ชันสแตนด์อะโลนจะพร้อมให้เล่นฟรีบนเพลย์สเตชัน 5 ในช่วงสามเดือนแรกหลังวางจำหน่าย[71]