Gay vant 100 meter under Diamond League-stevnet i Gateshead ved Newcastle.
Amerikaneren vant på 9,94, mens Asafa Powell ble nummer to med 9,96 i et løp som gikk i 1,7 sekundmeters motvind.
Powell startet klart best av de to, men etter rundt 70 meter ble han tatt igjen av Gay og på de siste meterene var amerikanerne raskest.
Årsbeste av Gay
Tiden var årsbeste for Gay, og bare Powell og Usain Bolt (begge med 9,82) har vært raskere denne sesongen.
De to var i en klasse for seg i løpet. Daniel Baley fra Antigua ble nummer tre med 10,15.
Jaysuma Saidy Ndure ble nummer fem i finalen med 10,23.
Første stormøte
Løpet var første gang to av de tre store sprintnavnene møtes denne sesongen.
Den tredje, Usain Bolt, har så langt ikke møtt hverken Asafa Powell eller Tyson Gay.
Bolt skal møte Powell i Diamond League-stevnet i Paris på fredag om seks dager.
Gay raskest i semifinalen
De to løp i hver sin semifinale tidligere på ettermiddagen.
I den første vant Tyson Gay på 9,96, mens norske Jaysuma Saidy Ndure ble nummer to med 10,15.
Nordmannen hadde den beste reaksjonstiden av samtlige i feltet.
I den andre semifinalen løp Asafa Powell kontrollert inn til 10.11.