En 1676, Ray publie l’Ornithologia libri tres de Francis Willughby, mort prématurément. Cette version latine est suivie d'une version en langue anglaise deux ans plus tard. On considère l’Ornithologia comme l'un des ouvrages fondateurs de l'ornithologie moderne. On ne connaît pas la part prise par Ray dans la réalisation de cet ouvrage, son amitié avec Willughby, explique sans doute sa discrétion à ce sujet.
Ils voyagent ensemble en Europe. Aux Pays-Bas, ils observent des colonies de hérons et de cormorans.
Pour réaliser l’Historia Piscium Ray fréquente assidûment les marché de Londres aussi de Rome, lors de son séjour en Italie. Il est à la recherche d’espèces rares et n’hésite pas à interroger les marins les plus anciens et les plus expérimentés.
à venir.
Les observations que Ray publient sont largement en avance sur son temps. Il note notamment que l’examen des larves, des pupes et des imagos sont nécessaires à une correcte classification des insectes. L’apport de Willughy est indéniable sur cette partie. Les espèces de lépidoptères rhopalocères compte 47 espèces britanniques parfaitement reconnaissables, dont six nouvelles pour la science. L’ouvrage est laissé inachevé par John Ray sans qu’il est eut le temps de faire paraître la partie consacrée aux hétérocères.
Il commence à s’intéresser aux plantes alors que malade il doit faire de longues marches dans la campagnes. Il dira plus tard que l’étude des plantes peut être un loisir qui permet de contempler ce que l’on a constamment sous les yeux et que l’on piétine sans y penser, d’admirer la beauté des plantes et l'art habile de la nature. D'abord la diversité des plantes de printemps, puis la forme, la couleur et la structure de plantes particulières m'a fasciné et a absorbé : l'intérêt pour la botanique est devenu une passion.
En 1660, il fait paraître anonymement, une flore des environs de Cambridge, Catalogus stirpium circa Cantabrigiam nascentium où il expose ses premières observations en suivant l’organisation de l’ouvrage de Gaspard Bauhin (1560-1624), Catalogus Plantarum circa Basileam sponte nascentium, publié en 1622. Il décrit pas moins de 558 espèces des environs de Cambridge qu’il a toutes examinées directement. Chaque fois qu'il aborde une espèce nouvelle, il donne des informations sur une description morphologique, son habitat, sa floraison et des indications thérapeutiques. Il suit la classification de Jean Bauhin (1541-1613), frère de Gaspar Bauhin. L'ouvrage connaît un immense succès.
Thomas Johnson (1604/5-1644) et son ami John Goodyer (1592-1664) avaient envisagés dès 1641 de réaliser une flore britannique, mais la mort de Johnson durant le siège de Basing House met un terme à ce projet. Ray entreprend alors de poursuivre un projet identique et de réaliser une flore de l’Angleterre. Ce projet ne trouvera un aboutissement qu'avec la parution de son Iter plantarum... de 1690.
Après son départ de Cambridge, Ray entreprend de faire un grand voyage étude botanique qui le conduit, du 5 août 1658 au 18 septembre de la même année, à visiter la région de Northampton, Warwick, Coventry, Derby, Buxton, Anglesey, Worcester, Gloucester, etc. En 1670, il publie Catalogus plantarum Angliæ et insularum adjacentium, première flore anglaise.
Ray envisage la publication d'une flore européenne et étend ses voyages à l'Europe. Il commence à travailler sur ce nouveau projet en 1682 et fait paraître la première partie en 1686, sous le titre d’Historia plantarum generalis, première tentative d'une flore mondiale. Sa publication s’achève en 1704 avec la parution de la troisième partie. Ray ajoute aux espèces européennes les plantes qui lui sont envoyées par les explorateurs européens. La taille très imposante de ces volumes, que la présence d’illustrations n’expliquent pas, les rend difficilement maniables, surtout dans le cadre de leur consultation sur la table d’un naturaliste. Selon Arber (1943), c’est sans doute l’une des raisons qui ont fait d’Institutiones rei herbariae de Joseph Pitton de Tournefort (1656-1708), de petite taille et très maniable, un ouvrage de référence pour les botanistes du début du XVIIIe siècle, bien plus que les qualités intrinsèques de la classification de John Ray. Celui-ci décrit dans son Historia plantarum 6 000 espèces et même si la plupart ne sont pas des nouveautés, les descriptions, brêves et complètes, sont d’une grande qualité.
John Ray touche vingt livres pour chacun de trois volumes de l’Historia plantarum ainsi que vingt exemplaires gratuitement. Compte tenu du coût de fabrication de cet ouvrage et des standards de l’époque, c’est plutôt une bonne rémunération.
Ray tente une première classification naturelle des plantes et expose sa méthode dans trois ouvrages : Methodus plantarum nova (1682), le premier volume d'Historia plantarum (1686) et dans Methodus emendata (1703). Il sépare ainsi les monocotylédones des dicotylédones de façon nette, probablement inspiré par Théophraste, les gymnospermes des angiospermes. Il écarte aussi les plantes sans fleurs (comme les fougères) des plantes à fleurs.
Grâce à lui, le vocabulaire botaniste s'enrichit considérablement. On lui doit notamment le terme de cotylédon ou celui de pollen. Il emploie aussi le vocabulaire formé par Marcello Malpighi (1628-1694), de Karl Sigismund Kunth (1788-1850) ou de Nehemiah Grew (1641-1712).
Il tente également une ébauche de classification des champignons.