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Contrariamente a outros naturalistas da sua época, não era médico. Não se interessava pelas plantas por razões farmacológicas e sim por motivos mais científicos. Ray é considerado como o fundador da botânica moderna.
Em 1660, escreveu uma obra sobre a flora dos arredores de Cambridge (Catalogus stirpium circa Cantabrigiam nascentium), onde registou as suas primeiras observações. Sempre que abordava uma espécie nova, dava informações sobre seu habitat, descrição morfológica, floração e indicações terapêuticas.
Em 1670, publicou Catalogus plantarum angliae et insularum adjacentium, primeira obra sobre a flora inglesa. Este trabalho foi o resultado de numerosas atividades de recolecção de plantas em todo o país. Algumas das espécies cultivava no seu jardim em Cambridge.
Em 1682, publicou Methodus Plantarum Nova. Ray formulou os princípios fundamentais da classificação das plantas em criptogâmicas, monocotiledóneas e dicotiledóneas no “Catalogus plantarum Angliae” e no “Methodus plantarum nova” .
A sua classificação das plantas na sua Historia Plantarum (1686), constituiu um passo importante para a taxonomia moderna. Rejeitou o sistema de divisão dicotómica e propôs-se classificar as plantas de acordo com semelhanças e diferenças provenientes da observação. Foi o primeiro a dar uma definição biológica do termo espécie.