Được phát triển song song với chế độ chơi đơn, chế độ nhiều người chơi Grand Theft Auto Online có mục đích là tạo ra một trải nghiệm riêng biệt cho người chơi trong một thế giới không ngừng biến đổi.[167] Tối đa 30 người chơi[lower-alpha 16] có thể tự do đi lại trong thế giới của trò chơi và gia nhập vào các phòng chờ để thực hiện nhiệm vụ (các chế độ chơi thi đấu và phối hợp có cốt truyện).[168] Bộ công cụ Content Creator cho phép người chơi tùy biến các yếu tố của một nhiệm vụ, chẳng hạn như đường đua hay điểm spawn vũ khí.[169] Người chơi có thể tập hợp thành các nhóm có tổ chức, được gọi là băng đảng, để làm nhiệm vụ cùng nhau. Các băng đảng trong chế độ nhiều người chơi của Max Payne 3 có thể được chuyển sang Grand Theft Auto Online thông qua Rockstar Games Social Club. Một người chơi có thể tự tạo băng đảng của mình và được phép gia nhập tối đa 5 băng đảng. Các băng đảng thi đấu với nhau để lấy điểm kinh nghiệm và cạnh tranh trên bảng xếp hạng.[170]

Grand Theft Auto Online ra mắt vào ngày 1 tháng 10 năm 2013, hai tuần sau khi Grand Theft Auto V được phát hành.[171] Nhiều người chơi đã phản ánh rằng họ gặp khó khăn khi kết nối và bị đứng ở các màn hình tải.[172][173] Rockstar cung cấp một bản vá lỗi vào ngày 5 tháng 10 để xử lý các vấn đề này,[174] nhưng chúng vẫn tiếp diễn sang tuần thứ hai khi một số người chơi bị mất toàn bộ thông tin nhân vật.[175] Một bản vá nữa được phát hành vào ngày 10 tháng 10,[176] và Rockstar đã bồi thường 500.000 đơn vị tiền tệ trong trò chơi cho tất cả những người chơi đã kết nối với Online từ ngày phát hành.[177] Vì những vấn đề kỹ thuật đó, nhiều nhà phê bình đã không đánh giá cao trải nghiệm người dùng của Online, tuy nhiên nhìn chung họ vẫn khen ngợi khả năng khám phá phi tuyến tính và tính linh hoạt trong nội dung của trò chơi.[178][179][180][181][182]

Sau khi Grand Theft Auto Online được phát hành, Rockstar đã cung cấp nhiều nội dung bổ sung miễn phí cho trò chơi, từ các chế độ chơi và tính năng mới[183][184] đến các nội dung theo chủ đề như bản cập nhật Ngày Độc lập.[185] Một bản cập nhật rất được chờ đón[186][187] với tên gọi Online Heists được ra mắt vào ngày 10 tháng 3 năm 2015 đã gặp phải những vấn đề kỹ thuật vì lượng người chơi tăng đột biến.[188] Không lâu sau khi Online được phát hành trên PC, một số người chơi phản ảnh rằng tài khoản của họ đã bị cấm sau khi sử dụng các mod đồ họa trong chế độ chơi đơn.[189] Rockstar cho biết trong một bài blog chính thức rằng họ không cấm các tài khoản trên Online vì sử dụng mod trong chế độ chơi đơn, mà nguyên nhân là một số bản cập nhật cho phiên bản PC đã "vô tình" khiến các mod đó ngừng hoạt động. Họ cũng nói rằng mod không được cấp phép và sẽ gây ra những vấn đề kỹ thuật không thể lường trước.[190] Một phiên bản độc lập của Online sẽ được phát hành trên PlayStation 5 và miễn phí trong 3 tháng kể từ khi ra mắt.[71]