Efter en dour första timmen David Jones greps i besittning och ersätta Gary Madines låga kors var slitsade hem från nära håll av Liam Feeney.
Gray knackade på en utjämnare efter att målvakten Paul Rachubka hade gjort bra ifrån sig för att hålla ute sin första ansträngning.
Och den tidigare Brentford mannen tog sin 20: e av säsongen med en enorm strejk i 85: e minuten.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Den 24-årige tävlade mot Fredrik Ulvestads passning innan han träffade ett ostoppbart skott.
Det såg ut som Clarets skulle lämna Macron tomhänt efter Feeney knackade hem, men Gray dubbla på 11 minuter gav dem en 18: e liga seger för säsongen.
Nederlaget innebär att Trotters, som denna vecka enades om ett övertagande av Sport Shield konsortium leds av tidigare strejker Dean Holdsworth, är sju punkter på drift av säkerhet med 12 matcher att spela.
Burnley är nu en punkt utanför Hull City och Middlesbrough, men har spelat en gång mer match än Tigers, och två mer än Boro.
Bolton boss Neil Lennon:
"Vad du borde göra är att få mina citat från de senaste veckorna och bara skriva det i din rapport.
"Individuella misstag har kostat oss spelet igen. Jag kan inte vara kritisk mot laget eftersom de var utmärkta idag. Jag skulle ha blivit besviken med en dragning, utan att förlora spelet. Det är svårt att ta i minuten."
Lennon om det föreslagna övertagandet:
"Jag är trött på att prata om det. Dean har jobbat hårt med det här. Han har lagt sitt hjärta och själ i det så om någon förtjänar att få det så är det han.
"Oavsett om det går igenom eller inte kan jag inte säga. Om det gör det kan vi förhoppningsvis få embargot upphävt och stärka truppen."
Burnley manager Sean Dyche:
"Vi var utanför våra prestationsnivåer och fortfarande vann, och det är vad du måste göra ibland i Championship, i alla fotboll, men definitivt i Championship.
"Ian Holloway berättade för mig i enrum i chefens rum för ett par år sedan, "Dina pojkar har fått en otroligt stark haka" - och han nämner det mycket nu eftersom mentaliteten är så fast här.
"Jag uppskattar att det inte garanterar dig ett sådant resultat, men det ger dig en helt bättre chans. Jag kan tänka mig att när jag ser att tillbaka i det kalla ljuset på dagen utan ljud, du kommer att se vår reaktion på deras mål är ganska lugn. Det är "ta bollen grabbarna, låt oss sätta igång med det".
"Den är borta omedelbart. Vi pratar mycket med spelarna om det, fokus, omfokusering, vad är fokus nu? Att gå och greppa spelet."
Matchen slutar, Bolton Wanderers 1, Burnley 2.
Andra halvlek, Bolton Wanderers 1, Burnley 2.
Ersättning, Burnley. Rouwen Hennings ersätter Andre Gray.
Scott Arfield (Burnley) visas det gula kortet för en dålig foul.
Wellington (Bolton Wanderers) vinner en frispark på vänsterkanten.
Foul av Scott Arfield (Burnley).
Hörnet, Bolton Wanderers. Översatt av Fredrik Ulvestad.
Försök missade. Stephen Dobbie (Bolton Wanderers) höger fotade skott från höger sida av lådan är för hög. Hjälpt av Darren Pratley med ett huvudpass efter ett hörn.
Substitution, Bolton Wanderers. Wellington ersätter Jay Spearing.
Hörnet, Bolton Wanderers. Förföljd av Tom Heaton.
Mark Davies (Bolton Wanderers) vinner en frispark på vänsterflygeln.
Foul av Joey Barton (Burnley).
Foul av Gary Madine (Bolton Wanderers).
Ben Mee (Burnley) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Mål!  Bolton Wanderers 1, Burnley 2. Andre Gray (Burnley) vänster fotade skott från utsidan av lådan till nedre vänstra hörnet. Assisterad av Fredrik Ulvestad.
Ersättning, Burnley. Fredrik Ulvestad ersätter David Jones.
Bortåt, Burnley. James Tarkowski försöker en genom boll, men Andre Gray fångas offside.
Substitution, Bolton Wanderers. Stephen Dobbie ersätter Zach Clough.
Gary Madine (Bolton Wanderers) vinner en frispark på högerkanten.
Foul av Ben Mee (Burnley).
Hörnet, Bolton Wanderers. Sammankallad av Ben Mee.
Liam Feeney (Bolton Wanderers) vinner en frispark på vänsterflygeln.
Foul av Scott Arfield (Burnley).
Mål!  Bolton Wanderers 1, Burnley 1. Andre Gray (Burnley) höger fotade skott från höger sida av sex yard box till mitten av målet.
Försöket räddades. Andre Gray (Burnley) höger fotad skott från mitten av lådan sparas i det övre högra hörnet. Hjälpt av Matthew Lowton.
Ersättning, Burnley. Matthew Taylor ersätter George Boyd.
Mål!  Bolton Wanderers 1, Burnley 0. Liam Feeney (Bolton Wanderers) höger fotade skott från mycket nära håll till mitten av målet. Hjälpt av Gary Madine.
Foul av Gary Madine (Bolton Wanderers).
Joey Barton (Burnley) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Försök blockerat. Joey Barton (Burnley) höger fotade skott utanför lådan är blockerad. Hjälpt av David Jones.
Substitution, Bolton Wanderers. Gary Madine ersätter Emile Heskey.
Handboll av Andre Gray (Burnley).
Försök missade. James Tarkowski (Burnley) höger fotade skott från höger sida av lådan är nära, men missar till vänster efter en set bit situation.
Foul av Jay Spearing (Bolton Wanderers).
Sam Vokes (Burnley) vinner en frispark i anfallshalvan.
Försök missade. Emile Heskey (Bolton Wanderers) vänster fotade skott från utsidan lådan är hög och bred till vänster.
Hörnet, Burnley. Sammankallad av Derik.
Hörnet, Bolton Wanderers. Sammankallad av Ben Mee.
Bortåt, Burnley. Joey Barton försöker en genom boll, men Andre Gray fångas offside.
Försök missade. Liam Feeney (Bolton Wanderers) höger fotade skott från vänster sida av lådan är nära, men missar det övre högra hörnet. Hjälpt av Mark Davies.
Burnley kom bakifrån för att gå överst på mästerskapet tack vare Andre Grays dubbel på lilla Bolton.