A padovai egyetemen folytatott tanulmányai után, 1872-ben az abbiategrassói Krónikus Betegek Kórházának tiszti főorvosa volt. 1873-ban itt fedezte fel a neuronok sejtfestési eljárását. 1875-től a paviai egyetem rendkívüli anatómia- és szövettanprofesszora, majd 1881-1918 között az általános kórtani tanszék tanszékvezető patológiai anatómiaprofesszora volt. A modern neurohisztológiai technika egyik megteremtőjeként tartják számon. Kutatásai során főleg a sejtek és a szövetek vizsgálatával foglalkozott. Az általa kidolgozott festési eljárással kimutatta a később róla elnevezett Golgi-sejteket. Jelentős eredményeket ért el az agyszövet kutatása terén, élete fő művét is az idegrendszer központi szerveinek szövettanáról írta. Az ingerület terjedésével kapcsolatban a kontinuitás elvét vallotta, ezt hirdette a sienai és padovai egyetemi katedrájáról is. Az orvostudományi Nobel-díjat 1906-ban kapta - megosztva Ramón y Cajal-lal - `az idegrendszer felépítésével kapcsolatos munkásságának elismeréséül`.