Cajal beendigte sein Medizinstudium in Madrid 1877 und wurde Professor der Anatomie in Valencia 1884, Professor der normalen und pathologischen Histologie in Barcelona 1887 und Professor derselben Fächer in Madrid 1892, seit 1900 dazu auch Direktor des neu gegründeten Instituto Nacional de Higiene.

Er verfeinerte die Technik der Silberimpregnation der Nervenfasern, die Golgi entwickelt hatte, und machte zahlreiche Entdeckungen auf dem Gebiet der Feinstruktur des Nervensystems. Er erbrachte entscheidende Beweise dafür, daß die Neuronen mit ihren Ausläufern und dem Axon die Grundeinheit des Nervensystems sind (was andere schon vermutet hatten). Im Jahre 1906 Nobelpreis zusammen mit Camillo Golgi.