โหมดผู้เล่นหลายคนของเกม พัฒนาขึ้นพร้อมกับโหมดผู้เล่นคนเดียวโดยมีชื่อเรียกอย่างเป็นทางการว่า แกรนด์เธฟต์ออโตออนไลน์ โดยมีระบบแยกจากโหมดผู้เล่นคนเดียว[158] ซึ่งสามารถมีผู้เล่นพร้อมกันบนเซิฟเวอร์ได้สูงสุด 30 คน[lower-alpha 14] มีทั้งการเล่นแบบให้อิสระในการกระทำใด ๆ และการเล่นร่วมกันเพื่อภารกิจในโหมดผู้เล่นคนเดียว[159] โดยมีเครื่องมือสร้างสรรค์ผลงานช่วยให่ผู้เล่นสามารถสร้างพารามิเตอร์สำหรับการปรับแต่งชิ้นงานที่พวกเขาสร้างขึ้นเช่นสนามแข่งขันและการใช้พอยท์ของโหมดเกมแบบเดทแมทช์[160] ผู้เล่นยังสามารถร่วมมือกับผู้เล่นคนอื่นในการทำให้งานสำเร็จลุล่วงได้อีกด้วย โดยผู้เล่นจากร็อกสตาร์เกมส์โซเชียลคลับจะสร้างทีมที่มีรูปแบบมาจากโหมดผู้เล่นหลายคนของเกม แม็กซ์เพน 3 โดยสามารถมีผู้เล่นในทีมสูงสุด 5 คน ถ้าหากชนะก็จะได้รับค่าประสบการณ์และมีชื่อแสดงบนกระดานคะแนน[161]

แกรนด์เธฟต์ออโตออนไลน์ เปิดให้บริการเมื่อ 1 ตุลาคม 2013 ภายหลัง 2 สัปดาห์ที่ แกรนด์เธฟต์ออโต V วางจำหน่าย[162] โดยผู้เล่นหลายคนประสบกับการเชื่อมต่อที่ยากลำบากและภาพของเกมค้าง[163][164] ร็อกสตาร์ได้มีการแพตช์เพื่อแก้ปัญหาในวันที่ 5 ตุลาคม[165] แต่ปัญหาก็ยังคงอยู่และผู้เล่นบางคนพบอีกว่าความก้าวหน้าตัวละครของพวกเขาหายไป[166] โดยมีการอัปเดตแพตช์เพื่อแก้ปัญหาอีกในวันที่ 10 ตุลาคม[167] และร็อกสตาร์ยังได้ชดเชยโดยการให้เงินภายในเกมจำนวน 50,000$ แก่ผู้เล่นทุกคน[168] เนื่องจากปัญหาทางเทคนิคที่มีผลกระทบเป็นวงกว้างในช่วงการเปิดให้บริการนักวิจารณ์ได้กล่าวถึงปัญหานี้[169][170][171][172][173] ทั้งนี้ทั้งนั้นการอัปเดตหลังจากการเปิดให้บริการนั้นฟรีและได้เพิ่มสิ่งใหม่ ๆ เข้ามา เช่น โหมดการเล่นแบบร่วมมือกันปล้น แต่ยังมีผู้เล่นพบปัญหาบ้างประปราย[174][175][176] [177][178] [179]

เนื้อหาของเกมหลังวางจำหน่ายยังคงเพิ่มใน แกรนด์เธฟต์ออโตออนไลน์ อย่างต่อเนื่อง การอัปเดตบางครั้งเพิ่มโหมดเกมและคุณสมบัติใหม่[180][181] และเนื้อหาอื่น ๆ ที่เกี่ยวกับรูปแบบการเล่น เช่น การอัปเดตพิเศษวันประกาศอิสรภาพ ที่เพิ่มเนื้อหาเกี่ยวกับความรักชาติเมื่อวันที่ 1 กรกฎาคม 2014[182] จากการคาดการณ์อย่างกว้างขวาง[177][178] การอัปเดตออนไลน์ไฮสต์เปิดตัวเมื่อวันที่ 10 มีนาคม 2015 และประสบปัญหาทางเทคนิคเบื้องต้นเนื่องจากมีผู้เล่นเข้าใช้งานมากเกินไป[183] หลังจากการวางจำหน่ายเกมเวอร์ชันพีซีไม่นาน ผู้เล่นบางคนรายงานว่าถูกแบนจาก แกรนด์เธฟต์ออโตออนไลน์ เพราะการปรับแต่งขอบเขตภาพและการใช้มอดส์ในโหมดผู้เล่นคนเดียว[184] ร็อกสตาร์ระบุไว้ในบล็อกอย่างเป็นทางการว่าไม่มีใครถูกแบนจาก ออนไลน์ สำหรับการใช้มอดในโหมดผู้เล่นคนเดียว แต่การอัปเดตล่าสุดสำหรับเวอร์ชันพีซีนั้นมีผล พวกเขาระบุว่ามอดส์ที่ไม่ได้รับอนุญาต อาจทำให้เกิดปัญหาทางเทคนิคและความไม่แน่นอนเกิดขึ้น[185]