En un ambiente familiar dominado por el interés por la medicina, Santiago Ramón y Cajal se licenció en esta disciplina en 1873. Tras sentar plaza en la sanidad militar (1874), fue destinado a Cuba como capitán médico de las tropas coloniales.

A su regreso a España, en 1875, Santiago Ramón y Cajal fue nombrado ayudante interino de anatomía de la Escuela de Medicina de Zaragoza. Dos años más tarde, en 1877, se doctoró por la Universidad Complutense de Madrid; por esa época, Maestre de San Juan le inició en las técnicas de observación microscópica.

Ramón y Cajal fue nombrado director de Museos Anatómicos de la Universidad de Zaragoza (1879) y más tarde catedrático de anatomía de la de Valencia (1883), donde destacó en la lucha contra la epidemia de cólera que azotó la ciudad en 1885. Ocupó las cátedras de histología en la Universidad de Barcelona (1887) y de histología y anatomía patológica en la de Madrid (1892).

A partir de 1888 Ramón y Cajal se dedicó al estudio de las conexiones de las células nerviosas, para lo cual desarrolló métodos de tinción propios, exclusivos para neuronas y nervios, que mejoraban los creados por Camillo Golgi. Gracias a ello logró demostrar que la neurona es el constituyente fundamental del tejido nervioso.

En 1900 Ramón y Cajalfue nombrado director del recién creado Instituto Nacional de Higiene Alfonso XII. Estudió también la estructura del cerebro y del cerebelo, la médula espinal, el bulbo raquídeo y diversos centros sensoriales del organismo, como la retina.

Su fama mundial, acrecentada a partir de su asistencia a un congreso en Berlín y gracias a la admiración que profesaba por sus trabajos el profesor Kölliker, se vio refrendada con la concesión, en 1906, del Premio Nobel de Fisiología y Medicina por sus descubrimientos acerca de la estructura del sistema nervioso y el papel de la neurona, galardón que compartió con C. Golgi.

En 1907 se hizo cargo de la presidencia de la Junta para Ampliación de Estudios e Investigaciones Científicas. Un año después de la presentación de la técnica del formol-urano por Golgi, Ramón y Cajal desarrolló su técnica del oro-sublimado, con la que se obtenían mejores resultados. En 1920 renunció a la dirección del Instituto Nacional de Higiene y el rey Alfonso XIII autorizó la fundación del Instituto Cajal de Investigaciones Biológicas, que quedaría instituido dos años más tarde y al que Cajal dedicaría sus esfuerzos hasta su muerte, tras abandonar la docencia universitaria.

Prueba de la intensa actividad que Ramón y Cajal despliega todavía en este período es la publicación, en 1933, del trabajo titulado «Neuronismo o reticulismo», en la revista científica Archivos de Neurobiología, aportación que se considera su testamento científico. Ramón y Cajal fue el creador, además, de una importante escuela, a la que se deben contribuciones esenciales en diversos campos de la histología y de la patología del sistema nervioso.

Entre sus discípulos españoles destacan J. F. Tello, D. Sánchez, F. De Castro y R. Lorente de No. Su labor gozó de un amplio reconocimiento internacional, que no sólo se circunscribe a su época.