Syn Justa Ramóna a Antonie Cajalových, Ramón y Cajal se narodil aragonským rodičům v Petilla de Aragón, navarrské enklávě v Aragonii ve Španělsku. Jako dítě byl přeložen mezi mnoho různých škol kvůli svému špatnému chování a antiautoritářskému postoji. Extrémním příkladem jeho předčasné vyspělosti a vzpurnosti je jeho uvěznění ve věku jedenácti let za zničení městské brány podomácku vyrobeným dělem. Byl vášnivým malířem, umělcem a gymnastou. Nějakou dobu pracoval jako ševce a holič a byl dobře známý svým bojovným postojem.
Ramón y Cajal navštěvoval lékařskou fakultu v Zaragoze, kterou absolvoval v roce 1873. Krátce po obdržení titulu byl povolán jako lékařský důstojník španělské armády. V rámci své služební cesty byl poslán na Kubu, kde onemocněl malárií. Po návratu do Španělska se v roce 1879 oženil se Silverií Fañanás Garcíovou, se kterou měl čtyři dcery a tři syny. V roce 1881 byl jmenován univerzitním profesorem na Universitat de València a v roce 1883 získal lékařský titul v Madridu. Později zastával profesorská řízení v Barceloně i Madridu. Byl ředitelem Zaragozského muzea (1879), ředitelem Národního ústavu hygieny (1899) a zakladatelem Laboratorio de Investigaciones Biológicas (1922) (později přejmenováno na Instituto Cajal}}, neboli Cajalův ústav). Zemřel v Madridu v roce 1934.
Nejslavnější studie Ramóna y Cajala se týkaly jemné struktury centrálního nervového systému. Cajal používal histologickou barvicí techniku vyvinutou jeho současníkem Camillem Golgim. Golgi zjistil, že ošetřením mozkové tkáně roztokem chromanu stříbrného bylo poměrně malé množství neuronů v mozku tmavě zbarveno. To mu umožnilo detailně vyřešit strukturu jednotlivých neuronů a vedlo ho k závěru, že nervová tkáň je spojité retikulum (nebo pavučina) propojených buněk podobně jako ty v oběhovém systému.
Použitím Golgiho metody došel Ramón y Cajal k velmi odlišnému závěru. Předpokládal, že nervový systém se skládá z miliard oddělených neuronů a že tyto buňky jsou polarizované. Místo vytvoření souvislé sítě Cajal navrhl, aby neurony spolu komunikovaly prostřednictvím specializovaných spojů zvaných „synapse“, což je termín, který zavedl Sherrington v roce 1897. Tato hypotéza se stala základem neuronové doktríny, která říká, že jednotlivá jednotka nervového systému je jeden neuron. Elektronová mikroskopie později ukázala, že plazmatická membrána zcela obklopuje každý neuron, což podporuje Cajalovu teorii a oslabuje Golgiho retikulární teorii.
Nicméně s objevem elektrických synapsí (přímých spojení mezi nervovými buňkami) někteří argumentovali, že Golgi měl alespoň částečně pravdu. Za tuto práci se Ramón y Cajal a Golgi v roce 1906 podělili o Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu.
Ramón y Cajal také navrhl, že způsob růstu axonů je přes růstový kužel na jejich koncích. Pochopil, že nervové buňky mohou vnímat chemické signály, které naznačují směr růstu, proces zvaný chemotaxis.
Mezi jeho četná vyznamenání a společenská členství, Ramón y Cajal byl také jmenován čestným doktorem medicíny na univerzitách v Cambridge a Würzburgu a čestným doktorem filozofie na Clarkově univerzitě.
Publikoval více než 100 vědeckých prací a článků ve francouzštině, španělštině a němčině. Mezi jeho nejvýznamnější patřily Pravidla a rady vědeckého bádání, Histologie, Degenerace a regenerace nervového systému, Manuál normální histologie a mikrografické techniky, Základy histologie, Manuál obecné patologické anatomie, Nové myšlenky o jemné anatomii nervových center, Učebnice o nervovém systému člověka a obratlovců a Sítnice obratlovců.
V roce 1905 publikoval pět vědecko-fiktivních „Příběhů z dovolené“ pod pseudonymem „Dr. Bacteria“.