Le montant du transfert, qualifié de "record pour le club" par Watford sans toutefois en préciser le prix, est de 18,5 millions de livres (20,5 millions d'euros), selon la presse britannique.
Gray (26 ans), qui avait rejoint Burnley en deuxième division en 2015, a marqué 9 buts en Premier League la saison passée.
Le recrutement du vif attaquant intervient au lendemain de l'annonce de l'arrivée de l'attaquant international brésilien des moins de 20 ans Richarlison.
Gray est donc la septième recrue estivale du nouvel entraîneur de Watford, Marco Silva, après Richarlison (Fluminense), Nathaniel Chalobah (Chelsea), Kiko Femenia (Alaves), Will Hughes (Derby/D2), Tom Cleverley (Everton) et Daniel Bachmann (Stoke).