Sie wurde 1935 in Dessau geboren und zog im Alter von 15 Jahren nach Berlin. Das Abitur absolvierte sie an der Ricarda-Huch-Schule in Berlin-Charlottenburg und begann danach eine Schauspielausbildung bei Marlise Ludwig und Herma Clement. Anfangs spielte sie ab 1954 hauptsächlich Theater an verschiedenen Berliner Bühnen. Auch später kehrte sie trotz vieler Engagements in Rundfunk und Film immer wieder an die Bühne zurück.
Im Jahr 1955 stand sie in Reifende Jugend erstmals vor der Kamera, im Jahr darauf spielte sie die Marion in dem Reiter-Drama Preis der Nationen (Das Mädchen Marion). Bekannt wurde sie 1961 aber vor allem durch ihre Hauptrolle in der Edgar-Wallace-Verfilmung Die seltsame Gräfin an der Seite von Klaus Kinski, mit dem sie damals auch privat befreundet war. Als weitere Wallace-Adaptionen folgten Das Gasthaus an der Themse und Der Fluch der gelben Schlange. 1966 und 1967 trat sie bei den Salzburger Festspielen als Hermia in Shakespeares Ein Sommernachtstraum unter der Regie von Leopold Lindtberg auf. Im Fernsehen war sie in über 100 verschiedenen Produktionen zu sehen.
Das zeitlich längste Fernsehengagement erlebte sie als Magda Färber in der TV Vorabendserie Drei Damen vom Grill, in der sie an der Seite von Brigitte Mira, Gabriele Schramm, Günter Pfitzmann und Harald Juhnke spielte.
Wir freuen uns, Brigitte Grothum für Ihr Lebenswerk zu ehren!
Als Regisseurin inszenierte sie 1987 das Mysterienspiel Jedermann von Hugo von Hofmannsthal, das alljährlich im Herbst im Berliner Dom aufgeführt wurde. Sie übernahm auch in allen Aufführungen die allegorische Rolle des Glaubens. Die Berliner Jedermann-Festspiele bestanden bis 2014, stets produziert und inszeniert von ihr.
Darüber hinaus war die Schauspielerin ab 1957 in der Synchronisation tätig und lieh ihre Stimme prominenten Kolleginnen wie Lee Remick, Diane Keaton, Barbara Eden, Virginia Mayo, Diana Rigg als Emma Peel in Mit Schirm, Charme und Melone oder Debbie Watson als Tammy in der Fernsehserie Tammy, das Mädchen vom Hausboot. In Die Halbstarken synchronisierte sie Karin Baal in ihrer ersten Rolle.
Neben ihren Filmrollen stand sie auch immer wieder auf deutschen Theaterbühnen, zuletzt 2011 und 2012 in Berlin und Hamburg in der sehr erfolgreichen Theaterproduktion von Kalender Girls. Vom 21. Juni bis zum 2. Juli 2012 verkörperte sie von Folge 30 bis 36 Gertrud Mahlbeck in der ZDF-Telenovela Wege zum Glück – Spuren im Sand und war von Folge 69 bis 74 erneut in dieser Rolle zu sehen. Seit 2021 sitzt Brigitte Grothum im Stiftungsbeirat der IVQS Stiftung – gegen Altersarmut bei Schauspielern.