Gray poznał osobiście Charlesa Darwina i następnie korespondował z nim przez długi czas. Znajomość ta miała istotny wpływ na poglądy i prace badawcze obu uczonych. Kwestia pokrewieństwa flory wschodnioazjatyckiej i wschodnioamerykańskiej w połączeniu z teorią zlodowaceń pozwoliła im na wysnucie tezy o wspólnych przodkach i rozdzieleniu potomnych populacji barierą lodową. W związku z tym Gray był jednym z pierwszych popularyzatorów idei Darwina w amerykańskim środowisku naukowym, jednocześnie krytykując wcześniejszą teorię ewolucji Roberta Chambersa, która w odróżnieniu od Darwinowskiej, była pozbawiona naukowej rzetelności. Z drugiej strony, Gray, przyjmował, że bezpośrednie dowody na dobór naturalny są trudne do uzyskania, a darwinizm jest po prostu uprawnioną hipotezą naukową najlepiej wyjaśniającą zmienność gatunków.