Sammen med sine to brødre utforsket Gregory landet nord for Perth i 1846. I 1857 utforsket han Upper Murchison River, og i 1858 landet lenger nord og øst. Han besøkte London i 1860 og fikk der ansvaret for en ekspedisjon som skulle utforske nordvest- kysten av Australia. Gregory forlot Fremantle den 23. april 1861. Fire dager senere, ved Champion Bay fikk han følge av tre frivillige. Totalt var de ni i følget som gikk i land med sine hester nær Roebourne den 24. mai. De fulgte Fortescue River i flere dager og dro mot sørvest der de møtte Hardey River. 25. juni startet de på returen og nådde kysten 19. juli. 10 dager senere, den 29. juli la de ut på en ny reise nord for den tidligere ruten. Da de returnerte den 17. oktober hadde de oppdaget rikt beiteland. Ved retur til Perth den 9. november anslo Gregory at området besto av mellom 8000 og 12000 km² med godt beiteland. Han var også en av de første som ble oppmerksom på industrimulighetene som lå i utnyttelsen av perlemusling.