Сын строителя. Учился в университете Висконсина, изучал архитектуру под руководством самого Ф. Л. Райта. В качестве актёра и режиссёра участвовал в постановках передвижных театров. С 1932 был связан с нью-йоркским «Груп-театр» (что отвечало его левым симпатиям и интересам), где принимал участие в постановках Э. Казана. Позднее работал под руководством Дж. Хаусмана в театре «Феникс».
В годы Второй мировой войны — автор и режиссёр агитационных радиопрограмм по заказу отдела военной информации. После 1945 — ассистент режиссёра на фильме Э. Казана «Дерево растёт в Бруклине», режиссёр на Бродвее и на телевидении. В 1948 поставил художественный фильм «Ночные воры», переименованный в 1949 в «Они живут по ночам». Этот эмоциональный рассказ о преследуемой законом юной паре открывает серию фильмов Рэя, связанных единством темы, взгляда на жизнь и почерком. Столь же типичны для фильмов Рэя одиночество главного героя и его бессознательный бунт, который заявляет о себе то беспричинной жестокостью, то вызывающим нарушением стандартов старшего поколения, то пристрастием к алкоголю и наркотикам, то опустошающей жаждой деятельности и успеха.
За рассказом об одиночестве голливудского сценариста в фильме «В укромном месте» (1950) выходят «фрейдистский» вестерн «Джонни Гитара» (1954) и самая известная и успешная картина Рэя — «Бунтарь без идеала» (1955, номинация на «Оскар» за лучший сценарий) с Джеймсом Дином в главной роли, ставшая культовой для американской молодёжи 1950-х.
Бисексуал, злоупотреблявший алкоголем и наркотиками, с начала 1960-х Рэй всё больше отдалялся от Голливуда. Он продолжал работать, но ни один из его поздних фильмов не привлёк внимания. Благодаря Деннису Хопперу в 1971 году Рэй начал преподавать в колледже искусств и наук при Бингхемтонском университете, где вместе со своими студентами снял экспериментальный автобиографический фильм «Мы не можем снова пойти домой». Весной 1972 года Рэя попросили показать фрагменты из фильма на конференции; публика была шокирована, увидев, как в кадре Рэй вместе со студентами курит марихуану. Ранняя версия фильма была показана на Каннском кинофестивале 1973 года, но Рэй, неудовлетворённый фильмом, продолжал монтировать его до самой смерти. Также, благодаря заботам старых друзей, Рэй преподавал в Институте Ли Страсберга и Нью-Йоркском университете, где его студентом был Джим Джармуш, позже подружившийся с Рэем и ставший его ассистентом.
Умер от рака лёгких, проболев два года. Незадолго до смерти, в сотрудничестве с Вимом Вендерсом, работал над документальным фильмом «Молния над водой» о нём самом.