Romain Grégoire découvre très vite le cyclisme en prenant l'exemple de son père qui pratique le cyclotourisme, il se lance donc dès l'âge de 6 ans par le VTT à l'ASPTT Besançon et passera à la course en ligne sur route dès l'adolescence (13-14 ans).
En août 2019, il se classe quatrième du championnat de France sur route cadets (moins de 17 ans)[6]. En novembre, il est sélectionné pour la première fois avec l'équipe de France de cyclo-cross pour une manche de Coupe du monde chez les juniors, où il prend la 22e place[7]. Un mois plus tard, il est champion de Bourgogne-Franche-Comté de cyclo-cross juniors[8], puis se classe cinquième du championnat de France de la discipline chez les juniors[9].
En 2020, pour sa première année sur route chez les juniors, il est membre de l'AC Bisontine et bénéficie du programme de l'équipe Van Rysel-AG2R La Mondiale[3]. En raison de la pandémie de Covid-19, il doit attendre le mois d'octobre pour courir sa première compétition internationale, en l'occurrence La Philippe Gilbert Juniors. Lors de celle-ci, il se classe deuxième du général derrière Arnaud De Lie[10]. Trois semaines plus tard, il prend le départ au dernier moment des championnats de France sur route juniors[11], où il remporte en solitaire le titre sur la course en ligne[12] et termine quatrième du contre-la-montre[13].
En août, il remporte à Bénévent-l'Abbaye la première étape du Tour du Limousin, en solitaire, après avoir attaqué à 18 km de l'arrivée[23]. Il conforte son maillot jaune en gagnant la troisième étape au Puy de Bort[24], et remporte la course à l'issue de la quatrième étape gagnée par Hugo Page. Comme sur la première étape, il devance au classement général Benoît Cosnefroy. Il devient le néo-professionnel qui a remporté le plus de victoires en 2023, ainsi que le coureur de la Groupama-FDJ ayant le plus gagné de la saison[25].
Il s'aligne ensuite sur le Tour d'Espagne, son premier grand tour. Placé à deux reprises dans les dix premiers d'étapes de la première semaine, Grégoire figure dans l'échappée qui se dispute la victoire lors de la onzième étape. Il est battu par Jesús Herrada au sommet de la Laguna Negra de Vinuesa[26].
Saison 2024
La saison 2024 de Romain Grégoire commence sur la Classic Var où il se classe 10e d’une course gagnée par son coéquipier Lenny Martinez. Il prend ensuite le départ du Tour des Alpes-Maritimes et termine à la 7e place du classement général. Fin mars, il s’engage sur plusieurs courses d’un jour : la Faun-Ardèche Classic (2e), le Trophée Laigueglia (11e) et les Strade Bianche (39e). Quelques jours plus tard, il participe pour la première fois à Tirreno-Adriatico et se classe 13e de l’épreuve en ayant été placé dans le top 10 durant les six premiers jours. Lors du Tour du Pays basque, Romain Grégoire réalise une très belle performance et remporte la 5e étape. Il participe aux trois grandes classiques ardennaises et termine respectivement 12e, 7e puis 24e de ces courses. Très en forme, le Français termine deuxième d’une étape du Critérium du Dauphiné. Il prend part au Tour de France en juillet mais ne réalise aucune performance notable. En août, il se classe 4e du Tour de Pologne en entrant trois fois dans le top 10 lors des trois premières étapes.
Caractéristique
Selon Nicolas Boisson, son entraîneur à la Continentale Groupama-FDJ, Grégoire est « un puncheur ayant également des aptitudes au sprint, capable d'être performant sur les classiques ardennaises. Sa limite se situe dans les ascensions longues et surtout dans les cols à fort pourcentage »[27].