22 Haziran 2007'de Amerika Şampiyonası'nda 9.84 koşarak senenin en iyi derecesine imza atmıştır. Daha sonra Ağustos ayında Dünya Şampiyonası'nda 9.85 koşmuş ve dünya rekortmeni Asafa Powell'ı geçmeyi başararak ilk dünya şampiyonluğuna uzanmıştır. [1] Dört gün sonra 200 metre yarışında 19.76 koşarak bu kategoride de dünya şampiyonluğunu elde etmiştir. 4 x 100 metre yarışında ABD takımıyla beraber bir altın madalya daha kazanarak Marita Koch, Carl Lewis, Michael Johnson, Maurice Greene ve Allyson Felix ile birlikte bir dünya şampiyonasında üç altın madalya birden kazanma başarısını gösteren atletlerden biri olmuştur. 16 Ağustos2009'da Berlin'de düzenlenen 2009 Dünya Atletizm Şampiyonası finalinde 100 metre'yi 9.71 ile koşarak yarışı Usain Bolt'un arkasında 2. bitirmesine rağmen tarihin en iyi 3. derecesini elde etmiş ve Amerika Birleşik Devletleri rekorunu kırmıştır.Tüm zamanların en iyi 3. ve 4. 100 metre derecesi , 200 metrede ise tüm zamanların en iyi 6.derecesi ona aittir.
Doping kullandığını geçtiğimiz 2013 Temmuz ayında itiraf eden Tyson Gay, bir yıl ceza aldı.[2]