Ramón y Cajal war der Sohn eines Arztes mit Interesse an der Anatomie, welcher selbst Sektionen durchführte. Die wechselnden Arbeitsorte seines Vaters brachten es mit sich, dass Ramón y Cajal seine frühe Kindheit in mehreren Orten und Städten Aragoniens, in Larrés (1853), Luna (1855), Valpalmas (1856) und Ayerbe (1860), verbrachte. Nach der Grundschule in Jaca absolvierte er Gymnasium und Abitur in Huesca. Im Alter von vierzehn Jahren erhielt er zudem zunächst eine Ausbildung zum Barbier. Nach der Übersiedelung seiner Familie nach Saragossa 1870 schlug er eine medizinische Laufbahn ein, wobei er auch seinem Vater an der medizinischen Schule bei Sektionen assistierte. Im Juni 1873 schloss er sein Studium ab und begann seine Karriere bei der Armee, wo er als Arzt in den Sanitätsdienst berufen wurde. In den Jahren 1874/1875 nahm er während des ersten kubanischen Unabhängigkeitskrieges an einer Expedition nach Kuba teil, wo er sich mit Malaria und Tuberkulose infizierte. Nach seiner Rückkehr nach Spanien 1875 nahm der junge Mediziner eine Stelle als Assistenzarzt an der Medizinischen Fakultät der Universität Saragossa an. 1877 wurde er an der Universität Complutense Madrid promoviert. 1879 wurde er Direktor eines Museums in Saragossa. Im Jahr 1883 wurde Santiago Ramón y Cajal Professor für Beschreibende und Generelle Anatomie an der Universität Valencia, wo er an seinem späteren Werk "Manual de Histología normal y técnica micrográfica" arbeitete. 1887 wechselte er als Professor für Histologie und Pathologie an die Universität Barcelona und 1892, in den gleichen Fachrichtungen, an die Universität Complutense Madrid. 1900 wurde er Direktor des "Instituto Nacional de Higiene" und der "Investigaciones Biológicas".