En marzo del año siguiente sustituyó al juez Baltasar Garzón al frente del Juzgado Central de Instrucción número 5, cuando éste se marchó con una licencia de estudios para impartir clases en la Universidad de Nueva York. Durante su estancia en ese Juzgado ordenó la prisión del etarra José Ignacio de Juana Chaos en relación con dos cartas publicadas en el diario «Gara», decisión que impidió su excarcelación; y procesó al portavoz de Batasuna Arnaldo Otegi en el sumario en el que se investiga la subordinación de la formación abertzale a ETA.
También fue el juez que puso en marcha en mayo de 2006 la operación contra el aparato de extorsión conocida como «caso Faisán», abortada en un primer momento por un «chivatazo» cuya autoría aún no se ha esclarecido. El 30 de junio de 2006, tras el regreso de Garzón, quedó adscrito como magistrado a la sala de lo penal de la Audiencia Nacional, destino en el que permaneció hasta que en enero de 2007 fue designado titular del Juzgado Central de Instrucción número 3. Ya en este Juzgado, ha instruido entre otras causas las dos abiertas a raíz del accidente del avión Yak-42, que se estrelló en en mayo de 2003 en Trebisonda (Turquía) con 62 militares españoles a bordo. Grande-Marlaska es uno de los pocos jueces españoles que ha reconocido públicamente su homosexualidad y está casado desde 2005.