Va néixer el 1852 al poble de Petilla de Aragón, enclavament navarrès a la província de Saragossa. Era fill de Justo Ramón Casasús i Antonia Cajal, provinents de la població aragonesa de Larrés, pertanyent al municipi de Sabiñánigo (Osca). Tota la seva infantesa i adolescència es veié marcada pels continus canvis de residència dels seus pares per diverses poblacions aragoneses. Va realitzar els estudis primaris als escolapis a Jaca i el Batxillerat a l'Institut d'Osca en uns anys marcats per l'agitació social, el desterrament d'Isabel II i la Primera República, proclamada just quan finalitzava els seus estudis de Batxillerat. Va estudiar medicina a la Universitat de Saragossa, on tota la seva família es va traslladar el 1870. Cajal es va centrar poc en els seus estudis universitaris, i en llicenciar-se el 1873 tan sols va aconseguir un lloc a la sanitat militar i el 1874 va ser destinat a Cuba, on es contagià de paludisme i disenteria. Va ser traslladat d'un lloc a un altre fins a retornar a Espanya el juny del 1875 com a "inutilitzat en campanya", a causa de les seves malalties.
Autoretrat de Ramón y Cajal al seu laboratori de València.L'any 1875 va marcar també l'inici de la seva vocació científica. Ell mateix es va pagar el seu primer microscopi abans de guanyar, l'any 1876, una plaça de practicant a l'Hospital de Nuestra Señora de Gracia a Saragossa. El 1878 va contraure la tuberculosi, però el 1879 fou nomenat Director de Museus Anatòmics de Saragossa i es casà el 19 de juliol amb Silveria Fañanás García, amb qui va tenir set fills. Va guanyar la càtedra d'Anatomia Descriptiva de la Facultat de Medicina de València l'any 1883, on va poder estudiar l'epidèmia de còlera que va assotar la ciutat l'any 1885. El 1887 es va traslladar a Barcelona per a ocupar la càtedra d'histologia creada a la Facultat de Medicina de Barcelona.El 1892 va ocupar la càtedra d'Histologia i Histoquímica Normal i Anatomia Patològica de la Universitat Central de Madrid. Va assolir que el govern creés l'any 1902 un modern Laboratori d'Investigacions Biològiques on hi va treballar fins al 1922, moment en què passà a realitzar la seva recerca científica a l'Institut Cajal, que mantindria la seva recerca a la seva mort.El 1888, durant la seva estada a Barcelona, aplicant el mètode de tinció de Camillo Golgi descobreix els mecanismes que governen la morfologia i els processos connectius de les cèl·lules nervioses, de la matèria grisa i del sistema nerviós cerebroespinal. La seva teoria va ser acceptada el 1889, durant el Congrés de la Societat Anatòmica Alemanya celebrat a Berlín. El seu esquema estructural del sistema nerviós com un aglomerat d'unitats independents i definides va passar a conèixer-se com "doctrina de la neurona" i en ella destaca la llei de la polarització dinàmica, model capaç d'explicar la transmissió unidireccional de l'impuls nerviós.L'any 1906 fou guardonat, juntament amb l'italià Camillo Golgi, amb el Premi Nobel de Medicina o Fisiologia “pels seus estudis sobre el sistema nerviós”.Fins al final del segle XIX se sabia ben poca cosa sobre l’estructura i el funcionament del sistema nerviós. Els anomenats reticulistes creien que el teixit nerviós estava format per milers de milions de cèl·lules, unides les unes a les altres formant una embullada xarxa amb una gran quantitat de prolongacions que en dificultaven l’estudi. El 1875, Camillo Golgi va trobar un mètode mitjançant el qual, a l’atzar, tan sols una porció molt petita de cèl·lules es tenyien completament i al mateix temps. En lloc d’aquell embolic de cèl·lules inservible, la tinció de Golgi va permetre observar amb el microscopi tan sols unes quantes cèl·lules nervioses, que es van poder diferenciar dels teixits que hi havia al seu voltant. Aquesta va ser una tècnica revolucionària, ja que va permetre veure per primera vegada estructures nervioses desconegudes fins al moment. No obstant això, el descobriment de l’estructura dels sistema nerviós és deguda a Santiago Ramón y Cajal, que en millorar la tinció va revelar que aquest sistema estava constituït per cèl·lules separades, ben definides i que es comunicaven entre si a través d’espais buits. L’investigador va decidir enfrontar-se, amb la seva teoria antireticulista, als gran científics de l’època, i va trobar en Golgi el més ferm detractor seu. Els treballs de Ramón y Cajal sobre el sistema nerviós van ser reconeguts amb la concessió, el 1906, del premi Nobel de fisiologia i medicina, guardó que va compartir amb Golgi. De tota manera, Golgi va persistir en la seva teoria i es va negar a donar suport a les investigacions de Ramón y Cajal.Va morir el 17 d'octubre de 1934 a la seva residència de Madrid.En honor seu s'anomenà el cràter Cajal sobre la superfície de la Lluna.
