Studierte Medizin in Pavia und arbeitete als Arzt von 1855 bis 1872, zuerst in Pavia und dann in Abbiategrasso, bis er 1875 Extraordinarius der Histologie in Pavia wurde. Im selben Jahre wurde er Professor der Anatomie in Siena, kehrte aber 1876 als Histologe nach Pavia zurück, wo er 1881 Professor für allgemeine Pathologie wurde.

Seine Hauptbeiträge sind: Die Entwicklung der Methode der Silberimpregnation von Nervenfasern, die die Histologie des Nervensystems entscheidend förderte. Diese Methode machte es möglich, den Verlauf einzelner Nervenfasern innerhalb des Zentralnervensystems zu verfolgen. Dann die Entdeckung der Netzstrukturen ("Golgi Apparat") des Zellplasmas und schließlich die Aufklärung gewisser Stufen des Lebenscyclus des Malariaparasiten.

Im Jahre 1906 erhielt er den Nobelpreis zusammen mit Ramón y Cajal.