Un des plus beaux bâtiments de la Renaissance en Franche-Comté. Erigée de 1567 à 1572, la façade principale, longue d’environ 37 m, comporte deux travées rythmées par des colonnes corinthiennes et composites superposées en marbre rouge de Sampans (Jura).
Elle s’ouvre sur la place par neuf arcades en plein cintre.
L’hôtel de ville est couvert d’un toit de tuiles vernissées polychrome de tradition bourguignonne.
Située non loin de l'ancienne forteresse des ducs de Bourgogne et entièrement restaurée en 1996, elle domine la ville. Sa première pierre est posée en 1478 mais elle n’est achevée qu’en 1559 et érigée en Basilique par Pie XII en 1948. La nef est couverte d’une voûte entièrement nervurée en étoile, exemple de gothique flamboyant unique dans toute la province. Le vitrail central du chœur est orné d’un arbre de Jessé réalisé au milieu du XVIème siècle par des imagiers flamands qui ont travaillé à Brou jusqu’en 1532.
Une remarquable statue du Christ mort réalisée par Claude Arnoux dit Lulier vers 1553 en albâtre se trouve dans une chapelle située dans le premier collatéral gauche. À voir également, la cuve de la chaire à prêcher en pierre (1612) et quelques tableaux importants : "La Vierge remettant un collier à Ste Thérèse d’Avila" par Mazzanti (1686-1775), "l’Annonciation" (1760) par Montesanto.
L’histoire de la statuette de Notre Dame de Gray est racontée en images sur le vitrail situé dans la chapelle aménagée en 1807 à gauche du chœur. La nef est dominée par le magnifique orgue du facteur bisontin Claude Valentin (1726), achevé par Riepp de Dijon.
Après 10 années de fermeture, le magnifique Théâtre à l'italienne de Gray a été inauguré au printemps 2006.
L'opération de restauration intérieure a été exécutée et fait suite à une étude de Paul BARNOUD, architecte en chef des Monuments Historiques qui s'est attaché à faire disparaître les stigmates des restaurations successives et faire apparaître un théâtre à l'identique.
Il fut construit entre 1846 et 1849 à proximité de la promenade des Tilleuls par l’ingénieur bisontin J.-B. Martin. Présentant une façade épurée, l’intérêt de ce monument réside surtout dans l’architecture de sa salle de spectacle (plan à l’italienne, avec loges d’avant-scène, machinerie, décor et rideau de scène, magnifique plafond rayonnant illustré de muses et de bacchantes).
Le XVIIème siècle voit la fondation de nombreux couvents : les Tiercelines en 1607, les Ursulines en 1623 (magnifique porte à fronton triangulaire, rue des Ursules), les Annonciades en 1631 (entrée et façade en face de la Basilique, place de la Sous-Préfecture), les Visitandines en 1636, les Carmélites en 1644 (Chapelle rue des Casernes), les Carmes déchaussées en 1645 (portail en pierre rue Victor Hugo), tandis que les Jésuites s’installent au collège en 1667 (Chapelle Grande Rue).
Le fond patrimonial a pour origine en partie la confiscation des biens du Clergé déclarés biens nationaux en 1789. La plupart des manuscrits et incunables proviennent des couvents de la ville et des environs. La première bibliothèque est installée dans trois salles du Couvent des Cordeliers (aujourd'hui disparu) et est inaugurée le 30 mars 1798. Elle contenait environ 12 000 volumes. Transférée au collège des Jésuites au début du XIXème siècle, elle sera ensuite installée dans un bâtiment spécialement construit en 1858, accolé à l'Hôtel de Ville.
À l'origine constituée essentiellement d'un fond théologique, elle s'est vue enrichie au fil des années de livres de philosophie, de philologie, d'art, d'histoire, de géographie, de récits d'expéditions, d'explorations, de sciences, de mathématiques, de physique… (en particulier les ouvrages de Romé de l'Isle, A. Cournot, E. Bour…), ainsi que des ouvrages curieux et étonnants : les registres de comptes des Impératrices Joséphine et Marie-Louise, tenus et donnés par leur intendant Ballouhey, originaire de Citey, ou les formats "éléphant" de la description de l'Egypte par Champollion.
La salle, entièrement restaurée en 1996, impressionne les visiteurs par son aspect majestueux, ses boiseries et sa galerie supérieure à laquelle on accède par un escalier en colimaçon.
Réalisé par l’architecte bisontin Jacques François Tripard, selon un plan en croix grecque, il est bâti entre 1716 et 1750. Une chapelle est située au centre de la croix grecque. L’apothicairerie est remarquable avec ses boiseries et ses 119 pots à pharmacie en faïence (Nevers, Igny en Haute-Saône) du XVIIème au XIXème siècle, ses 25 pots en bois tourné et ses 27 pots en verre.
Du château fort médiéval ne subsistent que la Tour crénelée, les remparts et les sous-sols voûtés en plein cintre (XIVème siècle) qui correspondent à la reconstruction de la forteresse par Jeanne de Bourgogne après l'incendie de 1324. Après la conquête de la Franche-Comté en 1674, le château de Gray devient propriété du roi de France. Il est transformé à la fin du XVIIème siècle en résidence de plaisance avec jardins.
Son dernier propriétaire princier, le Comte de Provence, frère de Louis XVI, le dote de plafonds ouvrés, de boiseries sculptées, de parquets chevillés, de cheminées de marbre et d'un Salon des glaces. Profondément remanié après la Révolution par Alexandre Martin (Baron d'Empire et Maire de la ville entre 1805 et 1815) qui l'achète à l'état de ruines, il devient possession de la ville en 1901 pour y installer un musée.
Les Carmélites s'installent à Gray en 1644. La chapelle, construite en 1667, est consacrée en 1691. Elle a eu un rôle religieux et de bienfaisance jusqu'à la moitié du XXème siècle. En 1978, elle est transformée en dépôt départemental d'art sacré, dont la vocation est de protéger les objets religieux provenant des différentes communes du département de la Haute-Saône. Dans le cadre de la chapelle se trouve l'exposition permanente de quelques pièces magnifiques ("Vierge à l'enfant", École Bourguignonne du XVème siècle) et, à l'étage, une exposition temporaire différente chaque année.
L’Hôtel Gauthiot d’Ancier : Achevé entre 1538 et 1548, il présente une façade sur rue (4, rue du Marché) et un escalier constitué d'une vis en bois de 28 marches enfermé dans un cylindre de chêne pivotant sur lui-même (8, rue du Marché) au-dessus duquel est aménagée une chambre haute. C’est dans cette chambre que vécut St Pierre Fourier (appellation Tour St Pierre Fourier).
Maison 12, rue des Terreaux : Couverte d’un toit à tuiles vernissées, elle fut construite en 1566 pour Jean Gauthiot d’Ancier. On peut lire la devise de la famille au 2ème étage sur la baie décorée d’un fronton courbe.
L’Hôtel de Conflans (Grande Rue) : Datant de le première moitié du XVIème siècle, il comporte une remarquable tour d’escalier polygonal en pierres de taille.
Le Grenier public (10-12, rue du Marché) : Construite au XVIème siècle, sa porte d’entrée est ornée d’un décor Renaissance.