En su recorrido de este a oeste cruza los distritos de Santiago de Surco, San Borja, Surquillo, Miraflores y San Isidro. Su final está en el parque Contralmirante José Ernesto de Mora localizado en el límite de los distritos de Miraflores y San Isidro, abarcando en general 45 cuadras (27 en Angamos Este y 18 en Angamos Oeste).
La avenida lleva el nombre del lugar donde se llevaría a cabo el Combate Naval de Angamos durante la Guerra con Chile el 8 de octubre de 1879 y en el que perdió la vida Miguel Grau Seminario, almirante de la Marina de Guerra del Perú y principal héroe del país.
Tras el cruce con la Av. Arequipa, en la cuadra 4 se ubican la clínica Delgado (inaugurada en 1928, luego reconstruida y reinaugurada en noviembre de 2014) y el acceso a la huaca Pucllana. El siguiente cruce principal se da con la avenida comandante Espinar. Tras dicho cruce se ubica el colegio Inmaculado Corazón, destacando su amplia fachada y pórtico principal que se levantan antes del cruce con la avenida Santa Cruz.
