У 1831 році почав працювати помічником хранителя в зоологічному відділі Британського музею і провів у цій науковій установі решту (41 рік) свого життя.
Займався спочатку комахами, опублікував у 1833 році свою першу працю — «Ентомологію Австралії» (англ.Entomology of Australia), брав участь у підготовці ентомологічного розділу англійського видання «Царства тварин» Ж. Кювьє. Особливий внесок Ґрей зробив до вивчення метеликів, описавши багато нових видів — наприклад, у книзі «Опис і малюнки деяких нових лускокрилих, переважно з Непалу» (англ.Descriptions and Figures of some new Lepidopterous Insects chiefly from Nepal, 1846).