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미적분의 기본정리를 최초로 증명했으며 미적분학의 창안에 기여했다.

논문 〈광학의 진보 Optica Promota〉(1663)에서, 지금은 그의 이름이 붙어 있는 최초의 실질적인 반사망원경에 대해 기술했으며 광도측정법에 의한 별의 거리측정법을 도입했다.

1665년경 그는 파도바대학에 입학하여 수학을 공부했고, 〈원과 쌍곡선의 올바른 구적법 Vera Circuli et Hyperbolae Quadratura〉(1667)을 집필했다. 이 논문에서 그는 원과 쌍곡선의 면적을 구하기 위해 무한 수렴급수를 사용했으며, 이 연구로 수렴급수와 발산급수를 구별한 선두주자 중 한 사람이 되었다. 그의 〈기하학의 일반부분 Geometriae Pars Universalis〉(1668)에서는 곡선으로 둘러싸인 도형의 면적과 회전체의 부피를 구하는 일련의 법칙을 제시했다.

그는 세인트앤드루스대학(1669~74)과 에든버러대학(1674~75)의 수학 교수를 지냈다. 〈제임스 그레고리 300주기 기념집 James Gregory：Tercentenary Memorial Volume〉(1939 H. W. 턴불에 의해 편집)에는 그레고리의 편지 및 사후 출판원고들이 포함되어 있으며, 정수론과 미분학에서 유명한 테일러 전개와 같은 몇 개의 수학적 발견을 예상했다는 것이 나타나 있다.