Сантьяго Рамон-и-Кахаль родился 1 мая 1852 года в небольшом поселении Петилья де Арагон, Испания. Его отец был врачом, а мать простой горянкой.
По настоянию отца Сантьяго выбрал медицинскую профессию, хотя и тяготел к рисованию. Сохранились рисунки, выполненные Кахалем в возрасте 9-12 лет. Впоследствии этот навык пригодился ему, когда пришлось выполнять нейроморфологические рисунки при исследовании структур мозга.
Итак, в 1873 году Кахаль окончил медицинский факультет в Сарагосе и поступил на службу в действующую армию врачом. Вскоре после службы он женился на Сильверии Фаньянс; в браке у них родилось восемь детей.
В 1879 году он был назначен директором анатомического музея в Сарагосе. В 1884 году он поступил на кафедру анатомии в Валенсии, а три года спустя возглавил кафедру гистологии и патологической анатомии в Барселоне.
Именно в Барселоне и начались его исследования структуры мозга, которые и позволили сделать замечательные открытия. До этих открытий в научном мире не было единого мнения по поводу того, каким образом устроена ткань мозга, то есть как клетки коммуницируют друг с другом.
Существовали сведения и в пользу того, что ткань мозга представляет собой сплошную сеть, синцитий, где контакты между клетками фактически отсутствуют (этой точки зрения придерживался знаменитый итальянский ученый Камило Гольджи), и противоположная точка зрения - контакты между нейронами имеются, и нейроны вообще представляют собой отдельные клетки. Сторонником второй гипотезы был Рамон-и-Кахаль.
Исследования Кахаля проводились в течение десятилетий. Он заметил, что лучшим способом доказать свою точку зрения было бы изучение развития нервной ткани в онтогенезе (то есть в процессе индивидуального развития). Ирония состояла в том, что во многих исследованиях он использовал гистологический метод, который был изобретен его "соперником" К. Гольджи.
Однако со стороны Кахаля никогда не было чувства соперничества по отношению к Гольджи и он всегда признавал его заслуги.
Открытия Кахаля, а также заслуги Гольджи были отмечены нобелевским комитетом и в 1906 году они получили Нобелевскую премию в области физиологии и медицины за "признание их работы по изучению структуры нервной системы".
Умер Кахаль 17 октября 1934 года в возрасте 82 лет в Мадриде.