Nel 1939 ritorna a Roma, sempre sotto la direzione di Milani, il quale, nel frattempo, diviene direttore della cattedra di radiologia dell'Università di Roma succedendo al professor Aristide Busi. Nella Città Eterna, Grilli consegue la libera docenza in radiologia nel 1939. Solo un anno dopo diviene docente alla Scuola di Specializzazione in Radiologia e a quella di Medicina del Lavoro dell'Università di Roma. Dal 1943 al 1955, nello stesso istituto, svolge il ruolo di aiuto di radiodiagnostica.