中华人民共和国成立后，历任中国人民革命军事委员会副总参谋长、中国人民解放军总参谋长、国防部副部长、军事科学院副院长、第一政治委员，中共中央军委常务委员。1955年被授予大将军衔，获一级八一勋章、一级独立自由勋章、一级解放勋章。是中共第八届至第十一届中央委员，第一至三届国防委员会委员，第三至第五届全国人大副委员长，中共中央顾问委员会常委。
1958年在军委扩大会议上受到错误的批判，并因此长期受到不公正的对待。同年调任国防部副部长兼军事科学院副院长。1972年任军事科学院第一政治委员。他致力于坚持和发展毛泽东军事思想，提倡学习军事辩证法。中共十一届三中全会后，提出要在军事领域解放思想，研究和回答现代战争提出的新问题。是军事科学研究实践的一位开拓者。“文化大革命”中曾任国务院业务组成员，在周恩来领导下，分管铁道、交通、邮电、港口建设和造船统筹。
1984年2月5日病逝于北京。他逝世后，中共中央在讣告中说他“尤善于指挥大兵团作战”，这样的评价在开国将帅中是绝无仅有的。
著有《粟裕战争回忆录》、《战时参谋工作》、《粟裕军事文集》等。他戎马一生，身经数百战，屡立战功，充分显示了卓越的军事思想与高超的指挥才能。为我军革命化、现代化建设，为发展我国的军事科学，都做出了卓越贡献。
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