В 1873 году в университет Сарагосы Рамон-и-Кахаль сдал экзамены на медицинскую лицензию и поступил на армейскую службу в качестве врача. Он принял участие в экспедиции на Кубу 1874-1875 годов, во время которой переболел малярией и туберкулёзом. По возвращении в Испанию ему предложили пост ассистента в школе анатомии медицинского факультета университета Сарагосы (1875 год), а затем, по его личной просьбе, назначили директором Музея Сарагосы (1879 год). В 1877 году в Мадриде Рамон-и-Кахаль получил звание доктора медицины, и в 1883 году был назначен профессором описательной и общей анатомии в Валенсии. В 1879 году Рамон-и-Кахаль женился на донье Сильверии Фаньянас Гарсия. В браке у них родились четыре дочери и три сына.