В 1853–1860 гг. Константин Карлович Грот возглавлял молодую Самарскую губернию. Он был одним из самых блестящих администраторов среди губернаторов Российской империи. Грот провел огромную работу по упорядочению всех звеньев аппарата управления обширным краем. Беспощадно пресекал коррупцию и взяточничество. Уделял особое внимание губернской столице, много сделал для ее благоустройства, выступил инициатором строительства городского водопровода. В Самаре были установлены первые сто фонарей для освещения улиц, разработан ряд мероприятий по противопожарной безопасности. Грот способствовал передаче городскому обществу Струковского сада, участвовал в открытии губернского статистического комитета и первой сберегательной кассы. При непосредственном участии губернатора были открыты мужская гимназия, духовная семинария, женское училище, военный госпиталь, телеграфическая контора. Грот перестроил и улучшил тюремные помещения в Самаре и губернии, взрослых арестантов стали обучать письму и чтению. Уездной полиции было запрещено задерживать людей до предъявления им обвинений.

В мае 1858 года врач Нестор Васильевич Постников при энергичной поддержке К.К.Грота открыл под Самарой первую в мире кумысолечебницу, функционировавшую на научной основе. При содействии К. Грота Постников смог получить от города землю в аренду по очень низкой цене, а от Приказа общественного призрения ссуду на 3 тысячи рублей. К. Грот также исходатайствовал у министра государственных имуществ предоставление в аренду казенной земли для кумысолечебницы. На базе кумысолечебницы была создана Самарская областная туберкулезная больница им. З.П. Соловьева.

Грот содействовал переселению немецких колонистов в Самарскую губернию, помогал осваивать новые земли. В 1863 году одно из своих поселений жители назвали в честь в К.К. Грота – Гротсфельд (Гротфельд). Ныне на этом месте садоводческое хозяйство СПК «Ягодный» Кошкинского района.

Огромен вклад Константина Карловича в культуру Самарской губернии. В январе 1859 года по его распоряжению при редакции газеты «Самарские губернские ведомости» был открыт Кабинет для чтения, чтобы самарцы могли знакомиться с выписываемыми и получаемыми редакцией по обмену периодическими изданиями.

1(13) января 1860 года по инициативе Грота открылась Самарская общественная (публичная) библиотека (ныне Самарская областная универсальная научная библиотека). Грот лично обратился к видным общественным деятелям России и в различные государственные учреждения с просьбой помочь в комплектовании фондов библиотеки. Постоянно передавал в дар ей крупные партии книг и завещал свое книжное собрание (всего свыше 8 тысяч изданий). Учитывая заслуги Грота, Самарское общество удостоило его звания Почетного гражданина Самары, а после смерти Грота портрет Константина Карловича работы художника А.Ф. Пермякова был установлен в зале библиотеки.

На средства, собранные по инициативе Грота (более 3 тысяч рублей), в августе 1855 года было начато строительство первого, деревянного, здания Самарского драмтеатра. 16 ноября того же года он был открыт (на нынешней Хлебной площади с фасадом на Волгу). Зал его вмещал 550 зрителей.
Стоит сказать, что К.К. Грот был связан с семейством Михаила Семеновича Щепкина. Сын актера служил у К. Грота в Самаре. Сам М.С. Щепкин писал о Гроте: «Поживешь поболее – увидишь, что такие начальники редки… Что за человек! Право, чудо».

При Гроте в Самаре из кружка любителей музыки было организовано Филармоническое общество (1858).

При поддержке Грота 19 февраля 1859 года в Самаре состоялся первый университетский праздник – торжественное собрание выпускников университетов, живших и работавших в Самаре. До Грота в губернии было порядка 5 человек с высшим образованием, при нем – 56 выпускников 7 университетов. Впоследствии, благодаря этим встречам, в Самаре было создано Общество поощрения высшего образования (1873).

Грот пожертвовал 5 тысяч рублей Самарскому реальному училищу на учреждение стипендии одному из самых бедных учеников. В Самарской учительской семинарии трое учащихся получали именные стипендии Грота.

Он завещал капитал на учреждение пособий и наград для учителей и учительниц всех народных школ Самарской губернии без различия ведомств и наименований.

В Петербурге Константину Карловичу Гроту был поставлен памятник, в его честь названа улица. В Самаре, в областной универсальной научной библиотеке, каждые два года проходит научно-практическая конференция «Гротовские чтения», оргкомитет которых возглавляет исследователь жизни и деятельности К.К. Грота, видный самарский ученый Петр Иванович Савельев. В 2005 году, в зале областной библиотеки была установлена мемориальная доска, посвященная Гроту. В 2007 году вышел документальный фильм о Гроте, подготовленный творческой группой Аллы Николаевны Мироновой.