O atacante, de 33 anos, tem contrato até janeiro no Home Park.
Ele era um agente livre depois de deixar o Al-Riyadh, da Saudi Pro League, no verão.
Gray, que marcou três gols em 13 partidas pela Jamaica, pode fazer sua estreia em casa contra o Blackburn no sábado, sujeito a autorização internacional.
Os Pilgrims mudaram-se para o ex-jogador do Watford, com Muhamed Tijani provavelmente ausente até o Ano Novo, após uma lesão no tendão sofrida em Burnley, na terça-feira.
Reagindo à contratação, Rooney disse: “Assim que soubemos da gravidade da lesão de Muhamed, agimos rapidamente para contratar um atacante para substituí-lo.
“André é um atacante de muita qualidade e jogou e marcou gols ao mais alto nível.
“Ele proporcionará competição nas áreas avançadas à medida que avançamos para um período movimentado da temporada e estou muito feliz por tê-lo aqui.”
Gray, que é casado com a cantora Leigh Anne Pinnock, retorna à Inglaterra pela primeira vez desde que deixou Vicarage Road, há dois anos.
Durante seu período de 10 meses na Arábia Saudita, ele e Leigh Anne foram forçados a um relacionamento à distância que ela descreveu como “inferno”.
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O casal só se via alguns dias por mês durante sua estada no Oriente Médio.
Em maio, ela explicou: “Temos um relacionamento à distância. Ele mora na Arábia Saudita e joga futebol lá.
“Então, nos últimos dois anos, estivemos separados, basicamente, nos vendo talvez dois dias por mês. Tem sido um inferno, para ser honesto.”
E Pinnock pareceu dar a Gray um ultimato para voltar para o Reino Unido assim que seu contrato na Arábia Saudita terminasse.
Questionada se o atacante permaneceria no exterior, ela disse: “Não aguento mais. Eu não posso fazer isso. Acho que temos que esperar para ver.”
A ex-estrela do Little Mix também fez referência às suas lutas com a distância novamente em seu primeiro show solo em junho.
Coleen Rooney, que ainda mora em Chester enquanto seu marido Wayne treina em Devon, também falou sobre as dificuldades de um casamento à distância.
Gray marcou anteriormente 56 gols em 146 jogos no campeonato pelo Brentford, Burnley, Watford e QPR.
Eles aconteceram em mais de 100 partidas da Premier League para Clarets e Hornets.