Будущий нейробиолог появился на свет 1 мая 1852 года на северо-востоке Испании. Его отец был деревенским хирургом, а позже работал профессором диссекции в Сарагосе. Мальчик был мятежным и не по годам развитым ребенком. Несмотря на его очевидный интеллект, его несколько раз переводили из одной школы в другую. Он был заключен в тюрьму в возрасте одиннадцати лет за то, что разрушил ворота двора своего соседа из самодельной пушки. В целях воспитания юношу направили обучаться парикмахерскому мастерству и ремеслу сапожника. Летом 1868 года отец отвел мальчика на кладбище, чтобы найти кости для анатомического исследования. Его интересовало рисование костей, и впоследствии этот талант помог ему добиться успеха в медицинской карьере. Рамон-и-Кахаль учился в медицинской школе при университете и получил подтверждающий документ о специальности врача в 1873 году. Сдав конкурсные экзамены, он стал военным доктором в испанской армии. Во время кубинской экспедиции в 1874–75 заразился малярией и туберкулезом и должен был посетить курортный город Пантикоса в Пиренеях для восстановления сил. В 1875 году стал ассистентом в школе анатомии медицинского факультета в Сарагосе.
Величайшим открытием Рамона-и-Кахаля был конус роста аксонов. Он продемонстрировал с помощью экспериментов, что отношения между нервными клетками были непрерывными. Это привело к «доктрине нейронов», которая сейчас широко рассматривается как основа современной нейробиологии. Сантьяго также обнаружил интерстициальную клетку в желудочно-кишечном тракте. Эта клетка служит генератором и кардиостимулятором, который создает медленный волновой потенциал и помогает сокращать гладкие мышцы. В конце 1887 года ученый переехал в Барселону, где стал профессором, занимался в основном патологической анатомией и гистологией. В 1892 году его назначили на ту же кафедру университета столицы Испании. Он опубликовал большое количество научных статей на испанском, французском и немецком языках. Наиболее примечательные из них: «Руководство по гистологии и микрографической технике» (1889 г.), «Элементы гистологии» (1897 г.), «Учебник по нервной системе человека и позвоночных» (1897-1899), «Сетчатка глаза позвоночных» (1894).
В 1879 году ученый связал себя узами брака с Сильверией Фаньянас Гарсия и оставался женатым на ней до ее смерти в 1930 году. В этом союзе на свет появилось семь детей, но двое не дожили даже до совершеннолетия. Рамон-и-Кахаль покинул наш мир в Мадриде 18 октября 1934 года. Кахаль — материнская фамилия ученого, его отцовская фамилия — Рамон. Следует отметить, что в Испании предпочитают использовать фамилию Кахаль, потому что Рамон также является именем.