Исследовал влияние света на окраску растений.
В 1682 предложил систему классификации растений. В трехтомном труде История растений Рей описал и классифицировал 18 600 видов, основываясь на внешних признаках – форме и строении цветка, листьев, корней, плодов. Ввел понятие однодольных и двудольных растений.
В 1693 в книге Систематический обзор происхождения четвероногих и змей предложил свою классификацию животных.
Рей занимался изучением насекомых, главным образом бабочек, оставив описание около 250 видов.
В 1670 году впервые получил «перегонкой» рыжих муравьёв муравьиную кислоту.
В одном из трудов (1693) он приводит доводы и доказательства, что киты на самом деле являются млекопитающими, а не рыбами вопреки тогда широко распространённому мн
ению.
