Dimitrow to mistrz juniorskiego Wimbledonu i US Open oraz były lider rankingu juniorów. Ze względu na bardzo podobną technikę uderzeń jest porównywany do Rogera Federera.
Współpracę z Peterem McNamarą nawiązał w czerwcu 2010 roku. Szkoleniowiec zastąpił wówczas Petera Lundgrena: - Chciałbym podziękować Peterowi za wielkie poświęcenie, doświadczenie i wspaniałą pracę, która umożliwiła mi osiągnięcie najwyższego miejsca w karierze - skomentował Bułgar. - Prowadzenie tego zawodnika było znakomitą przygodą. Zaczynaliśmy od występów w Futuresach, a skończyliśmy na turniejach wielkoszlemowych. Trenowanie Grigora było dla mnie zaszczytem - mówił McNamara.
Pod okiem Australijczyka Dimitrow osiągnął w tym roku najwyższą pozycję rankingową w karierze (miejsce nr 52) oraz po raz pierwszy wygrał spotkania w turnieju Wielkiego Szlema (w Australii i w Londynie). Bułgar odniósł także liczne sukcesy w imprezach rangi Futures i ATP Challenger Tour, jednak wciąż nie przekroczył bariery ćwierćfinału w turniejach ATP.
