Os trabalhos iniciais em Grand Theft Auto V envolveram o projeto e desenho do espaço do mundo aberto; modelos preliminares foram construídos durante a fase de pré-produção.O mundo aberto de jogo é o estado ficcional norte-americano de San Andreas, que inclui a cidade de Los Santos. San Andreas também fora utilizada como o cenário de Grand Theft Auto: San Andreas, que incluía três cidades separadas por uma zona rural. A equipe achou que o jogo anterior não emulava os locais tão bem quanto desejavam pois a ambição de recriar três cidades fora muito grande.Los Angeles foi usada como modelo para Los Santos em ambos os títulos; Houser achou que "para fazer uma versão adequada de L.A. ... o jogo precisa te passar o sentimento de expansão – se não replicá-lo completamente", com a divisão de orçamento e mão de obra em várias cidades eventualmente prejudicaria a recriação "do que L.A. é". Garbut falou que a representação de Los Santos em San Andreas parecia um "pano de fundo ou um nível de jogo com pedestres vagando randomicamente" já que equipe não possuía as capacidades técnicas suficientes para recriar Los Angeles propriamente na época. Os desenvolvedores desconsideraram San Andreas como um ponto de partida pois tinham ido para uma nova geração de consoles e queriam construir a cidade do zero. De acordo com Garbut, "nossos processos e a fidelidade do mundo evoluíram tanto desde San Andreas" com a mudança para o PlayStation 3 e Xbox 360 que usar o mesmo modelo seria redundante. A equipe concentrou seus esforços em uma única cidade e foram capazes de produzir Los Santos em uma qualidade e escala muito maiores do que no jogo anterior.
Los Angeles foi profundamente pesquisada. A equipe organizou viagens com guias e historiadores arquitetônicos, tirando por volta de 250 mil fotografias e gravando horas de vídeos. Houser comentou: "Nós falamos com agentes do FBI que já estiveram infiltrados, especialistas em Máfia, gângsters de rua que conhecem as gírias – até mesmo fomos ver uma verdadeira prisão". Houser considerou que a pesquisa e criação do mundo de jogo foram os aspectos mais trabalhosos do desenvolvimento. A equipe olhou projeções de Los Angeles no Google Maps e Google Street View; em seguida eles usaram as coordenadas para tirar fotos e gravar vídeos dos locais desejados, que por sua vez foram usados para projetar Los Santos. Os desenvolvedores também estudaram modelos de globo virtual, dados de censos e documentários a fim de recriarem a expansão geográfica e demográfica de Los Angeles. A recriação da cidade em um espaço de jogo necessitou que a equipe condensasse a extensão urbana em uma área que poderia ser atravessada confortavelmente; de acordo com Houser, eles capturaram "a essência do que realmente há em uma cidade, porém em uma área bem menor". Sam Sweet do The New Yorker escreveu: "[O] exaustivo trabalho de campo ... não foi conduzido para documentar um espaço vivo. Em vez disso, foi coletado para criar uma versão extremamente realista de uma Los Angeles que realmente não existe. O mapa de Los Angeles é familiar mas seus conteúdos são condensados". Garbut disse que a equipe não foi "ditada pela realidade" ao desenhar a cidade, em vez disso usando Los Angeles como o ponto de partida para o projeto.
As pesquisas também levaram a equipe para as regiões rurais da Califórnia; Garbut relembrou uma visita que fez com Houser para Bombay Beach, que os inspirou a colocar o começo da história de Trevor se passando em uma recriação do Lago Salton, chamado no jogo de Sandy Shores. A equipe fez uma recriação do Sul da Califórnia que inclui vastas extensões rurais ao redor da cidade.Eles desejavam criar um enorme mundo aberto sem espaços vazios. Atenção foi prestada na condensação do interior do Sul da Califórnia em um espaço de jogo diverso e detalhado.O mundo criado tem 130 km², aproximadamente um oitavo do Condado de Los Angeles. É maior em escala do que os mundos abertos anteriores criados pela Rockstar; Garbut afirmou que ele é grande o bastante para caber os mapas de San Andreas, Grand Theft Auto IV e Red Dead Redemption combinados. A equipe reformulou a RAGE a fim de acomodar o tamanho do mapa, permitindo que o jogo tivesse uma maior renderização de distância do que títulos anteriores de Grand Theft Auto. O grande espaço aberto necessitou a reintrodução de aviões, que estiveram ausentes em Grand Theft Auto IV devido a escala relativamente pequena do mundo. Houser explicou: "Queríamos algum lugar grande [para permitir o jogador] voar direito". O grande espaço aberto exigiu que fosse povoado por animais selvagens; Benzies sentiu que "uma zona rural sem animais pareceria bem vazia devido à escala do mapa e os diferentes tipos de áreas envolvidas"