В 1660 Рей был возведен в духовный сан. В 1662 отказался от должности в университете; давал частные уроки, жил у друзей. Совершил поездки по Англии, Уэльсу, южной части Шотландии, а в 1663–1666 – по Европе с целью изучения ее флоры и фауны. В 1667 стал членом Лондонского королевского общества и приступил к реализации своего плана систематизации природных явлений. В 1682 предложил систему классификации растений. В трехтомном труде История растений (Historia generalis plantarum, 1686–1704) 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 (Synopsis methodica animalium quadrupedum et serpentini generis) предложил свою классификацию животных. Большое влияние на современников оказал труд Рея Мудрость Бога, проявившаяся в Его творениях (The Wisdom of God Manifested in the Works of Creation, 1691), в котором приводились свидетельства существования божьего промысла в мире природы. Эта работа неоднократно переиздавалась, а изложенные в ней факты считались весомыми аргументами в пользу существования Творца. Кроме того, в ней впервые ботаника была представлена не просто как некая система классификации, но и как наука о происхождении, эволюции и особенностях растений.

В последние годы жизни Рей занимался изучением насекомых, главным образом бабочек, оставив описание около 250 видов. Умер Рей в Блэк-Нотли 17 января 1705.

Лункевич В.В. От Гераклита до Дарвина. Очерки по истории биологии, тт. 1–2. М., 1960