Rockstar North bắt đầu phát triển Grand Theft Auto V vào năm 2008 sau khi Grand Theft Auto IV được phát hành.[34] Quá trình phát triển được thực hiện bởi một đội ngũ hơn 1.000 người, bao gồm đội ngũ cốt lõi của Rockstar North và nhân sự của các studio trực thuộc công ty mẹ Rockstar Games trên toàn thế giới.[35] Engine độc quyền RAGE của Rockstar được thay đổi toàn diện để tăng cường cự ly hiển thị đồ họa cho trò chơi.[36] Hai phần mềm Euphoria và Bullet được sử dụng để thực hiện các thao tác hoạt họa và kết xuất khác.[37] Sau khi đã trở nên quen thuộc với phần cứng của PlayStation 3 và Xbox 360, Rockstar nhận thấy họ có thể đẩy mạnh hiệu năng đồ họa của các máy chơi game này nhiều hơn so với ở các phần trước trong dòng trò chơi.[38] Các nhà phân tích đã ước tính tổng kinh phí phát triển và quảng bá của trò chơi vào khoảng 170 triệu bảng Anh (265 triệu đô-la Mỹ), nếu con số này là chính xác, Grand Theft Auto V sẽ là trò chơi đắt đỏ nhất trong lịch sử lúc bấy giờ.[39][lower-alpha 11]

Thế giới mở trong trò chơi được mô phỏng dựa trên miền Nam California và thành phố Los Angeles.[41] Việc thiết kế và kết xuất thế giới này chiếm phần lớn quá trình phát triển ban đầu của trò chơi.[42] Các thành viên chủ chốt của đội ngũ xây dựng thế giới trong trò chơi đã tiến hành nghiên cứu thực địa trên khắp khu vực và ghi lại các nghiên cứu của mình bằng hình ảnh và video.[38] Họ cũng đã sử dụng bản đồ Los Angeles trên Google Maps để hỗ trợ việc thiết kế hệ thống đường sá của Los Santos.[43][44] Để tái hiện các đặc điểm về dân cư của Los Angeles, họ đã nghiên cứu dữ liệu điều tra dân số và xem các phim tài liệu về thành phố.[36] Theo đội ngũ phát triển, việc chế tác thế giới mở của trò chơi là công đoạn khó khăn nhất về mặt kỹ thuật trong quá trình phát triển trò chơi.[34]

Một mục tiêu thiết kế được đặt lên hàng đầu ngay từ những bước đầu phát triển Grand Theft Auto V là việc đổi mới cấu trúc cốt lõi của dòng trò chơi bằng cách cho phép người chơi điều khiển ba nhân vật chính thay vì chỉ một nhân vật duy nhất.[42] Ý tưởng này xuất hiện từ khi Grand Theft Auto: San Andreas đang được phát triển nhưng những hạn chế về kỹ thuật lúc bấy giờ đã khiến việc hiện thực hóa ý tưởng đó là bất khả thi.[45] Sau khi phát triển hai bản mở rộng với các nhân vật chính mới cho Grand Theft Auto IV vào năm 2009, đội ngũ phát triển muốn Grand Theft Auto V xoay quanh ba nhân vật chính cùng một lúc.[11] Rockstar coi Grand Theft Auto V như một kế nhiệm về mặt tinh thần của các trò chơi trước đó (như Grand Theft Auto IV, Red Dead Redemption và Max Payne 3), và thiết kế Grand Theft Auto V để cải tiến các cơ chế trong lối chơi.[19][46] Họ đã cải tiến lối chơi hành động bằng cách trau chuốt các cơ chế bắn súng và ẩn nấp,[47] đồng thời đổi mới cơ chế lái xe để cải thiện phương diện điều khiển phương tiện còn vụng về của Grand Theft Auto IV.[48]

Sau quá trình thử vai, Ned Luke, Shawn Fonteno và Steven Ogg được chọn để lần lượt vào vai Michael, Franklin và Trevor.[49] Diễn xuất của họ được ghi hình chủ yếu bằng kỹ thuật ghi hình chuyển động,[50] tuy nhiên lời thoại khi các nhân vật đang ngồi trên xe thì được thu âm trong phòng thu.[51] Grand Theft Auto V là phần đầu tiên trong dòng trò chơi có nhạc nền được sáng tác riêng bởi một nhóm các nhà sản xuất âm nhạc làm việc cùng nhau trong vài năm.[52] Nhạc bản quyền được cung cấp bởi một đài phát thanh trong trò chơi cũng được sử dụng.[53] Đội ngũ đã cấp phép hơn 241 bài hát cho mười lăm đài phát thanh, cộng với hai đài phát thanh có định dạng talk radio.[lower-alpha 12] Một số bài hát cũng được sáng tác riêng cho trò chơi, chẳng hạn như các bài hát do rapper và nhà sản xuất âm nhạc Flying Lotus sáng tác cho đài phát thanh FlyLo FM mà anh đồng thời làm người dẫn chương trình.[55]

Trò chơi được Rockstar Games công bố lần đầu tiên vào ngày 25 tháng 10 năm 2011.[56] Họ đăng tải đoạn phim quảng bá của trò chơi một tuần sau đó,[57] đồng thời đưa ra một thông cáo báo chí về bối cảnh của nó.[58] Giới báo chí nhận thấy rằng việc này đã làm bùng lên sự đón chờ trên khắp ngành công nghiệp trò chơi điện tử mà lý do là tầm ảnh hưởng về mặt văn hóa của dòng trò chơi.[59][60][61] Trò chơi không được phát hành vào quý 2 năm 2013 như kế hoạch ban đầu mà đã bị lùi lại đến ngày 17 tháng 9 để được hoàn thiện hơn.[62] Nhằm kích thích doanh số đặt trước của trò chơi, Rockstar đã phối hợp với một số chuỗi cửa hàng bán lẻ để cung cấp một phiên bản đặc biệt với những tính năng bổ sung.[63] Họ đã tiến hành một chiến dịch marketing viral với việc mở một trang web cho giáo phái hư cấu "The Epsilon Program" để cho phép người sử dụng có cơ hội xuất hiện trong trò chơi trong vai các thành viên của giáo phái đó.[64]

Một phiên bản tái phát hành trên Microsoft Windows (PC), PlayStation 4 và Xbox One của trò chơi đã được công bố tại E3 2014. Phiên bản này có cự ly hiển thị đồ họa cao hơn, texture chi tiết hơn, số lượng xe cộ đông đúc hơn, hiệu ứng thời tiết đẹp hơn cũng như các loài động vật và cây cối mới.[65] Phiên bản này cũng bổ sung chế độ góc nhìn thứ nhất khi nhân vật đi bộ. Đội ngũ phát triển đã phải thay đổi hoàn toàn hệ thống hoạt họa để hỗ trợ góc nhìn mới này.[4] Phiên bản dành cho PlayStation 4 và Xbox One được phát hành vào ngày 18 tháng 11 năm 2014.[66] Phiên bản dành cho PC được lên kế hoạch phát hành đồng thời với hai phiên bản trên, nhưng đã bị lùi lại đến ngày 14 tháng 4 năm 2015.[67] Theo Rockstar, phiên bản PC cần thêm thời gian để "hoàn thiện".[68] Phiên bản PC cho phép tốc độ khung hình 60 khung hình một giây ở độ phân giải 4K, và người chơi có thể quay và chỉnh sửa video bằng công cụ Rockstar Editor.[69] Đội ngũ phát triển đã hủy bỏ kế hoạch sản xuất các nội dung tải về cho chế độ chơi đơn để tập trung nguồn lực cho Grand Theft Auto Online và Red Dead Redemption 2.[70] Các phiên bản dành cho PlayStation 5 và Xbox Series X được công bố vào tháng 6 năm 2020 và sẽ được phát hành vào nửa sau năm 2021. Các phiên bản này sẽ được tăng cường về mặt kỹ thuật và hiệu năng.[71]