Одним из научных результатов являлось определение поглощенной дозы радиации, единица измерения которой в системе СИ впоследствии была названа в честь него Грэй.
В 1933 году начал работать в больнице Маунт Вернон в Лондоне.
В 1936 году развил принципа Брэгга-Грэя, являющегося основой метода измерения поглощения материалами энергии гамма-излучения
В 1937 году создал один из первых генератора нейтронов в больнице Маунт Вернон (Лондон).
В 1938 году изучал воздействия нейтронов на живые организмы с использованием генератора
В 1940 году исследовал сравнительной биологической эффективности излучения, введение в употребление единицы измерения поглощенной дозы излучения.
В 1952 году исследовал воздействие радиации на бактерии и клетки опухолей.
В 1953 году основана Лаборатория Грэя в больнице Маунт Вернон.
В 1956—1962 годы — вице-президент Международной комиссии по радиационным измерениям (ICRU).
В 1961 году избран членом Королевского научного общества.