Nacido en la localidad alicantina de Pedreguer, José Luis Gayà comenzó su formación como futbolista en las escuelas deportivas de su localidad natal, como prebenjamín, donde ya comenzó a destacar por su velocidad y técnica jugando inicialmente como delantero. A los 11 años, cuando se encontraba disputando un encuentro contra el Denia, siendo todavía alevín, un ojeador del Valencia CF le propuso ingresar en la cantera del club de Mestalla. Así lo hizo, y durante varios años estuvo realizando con su padre en coche los 100 km que separan Pedreguer de Paterna para poder entrenar, hasta que años después se instaló en la residencia de la ciudad deportiva. El sacrificio mereció la pena, y gracias a su espectacular progresión pudo llegar a debutar a los 16 años con el Mestalla, de la mano del técnico Sergio Ventosa, en partido de Liga disputado en Andorra el 29 de enero de 2012.

La temporada siguiente, José Luis Gayà ascendió de forma definitiva al equipo filial, convirtiéndose en una de las más firmes promesas de la cantera. Internacional con la selección sub-17, con la que disputó el Campeonato de Europa en la ciudad Tbilisi (Georgia), el joven lateral jugó 36 partidos de Liga en los que anotó dos tantos. Además, debutó con el primer equipo en un amistoso contra el Alcoyano disputado en El Collao el 6 de septiembre de 2012 y, un mes después, jugó su primer partido oficial en la Copa del Rey con el Valencia CF frente al Llagostera, el 30 de octubre del mismo año. La siguiente campaña, Gayà siguió progresando en el filial, completando 26 encuentros ligueros (y un gol) y alternando convocatorias con el primer equipo. Su gran oportunidad llegó el 12 de diciembre de 2013, cuando debutó en competición europea frente al Kuban Krasnodar en Mestalla. Jugó dos partidos más en la Europa League hasta su debut en Primera División, que tuvo lugar en Mestalla frente al Atlético de Madrid, el 27 de abril de 2014.

A estas alturas ya no había ninguna duda con José Luis Gayà, que ascendió de forma definitiva a la primera plantilla y vivió su gran explosión como futbolista de alto nivel bajo las órdenes de Nuno Espirito Santo, en una espectacular temporada en la que fue titular indiscutible y dueño de la banda izquierda, participando en 37 encuentros oficiales y marcando dos goles. Protagonista de la magnífica campaña del equipo, que logró clasificarse para la Champions League, hubo intensos rumores acerca del interés de varios clubes en el futbolista, pero finalmente el club y el jugador llegaron a un acuerdo para ampliar su contrato hasta 2020. Las siguientes dos temporadas no fueron buenas, en general para el equipo, y en particular para él. Además de las lesiones, el bajo rendimiento de la plantilla y los continuos cambios en el banquillo provocaron que el equipo coqueteara incluso con los puestos de descenso. Aún así, Gayà participó en 66 partidos oficiales. En el verano de 2017, con la llegada de Marcelino al banquillo, volvió la estabilidad y el lateral se confirmó como titular indiscutible, volviendo a mostrar su mejor versión y participando en un total de 38 encuentros oficiales. El 11 de octubre de 2018, José Luis Gayà debutó en partido oficial con la selección nacional absoluta en la victoria por 6-0 frente a Croacia, correspondiente a la Liga de Naciones.