Ramón y Cajal – zafascynowany wyglądem zabarwionych preparatów Golgiego, które zobaczył po kilkunastu latach (w roku 1887) – przystąpił do analogicznych eksperymentów. Intensywne badania objęły liczne preparaty, pobrane z tkanki pochodzącej od ludzi i wielu różnych zwierząt i ich płodów (króliki, psy, świnki morskie, kurczęta, myszy, szczury, żaby, ryby). Kształty zabarwionych neuronów precyzyjnie rysował. Umożliwiło mu to sformułowanie „doktryny neuronów” – teorii, że aksony poszczególnych neuronów nie łączą się między sobą, lecz każdy akson kończy się zawsze na dendrycie sąsiedniego neuronu (protoplazma obu komórek nie miesza się ze sobą; zob. synapsa). Odkrycie to zrewolucjonizowało badania struktury i zasad działania układu nerwowego.
Ramón y Cajal badał również układ nerwowy owadów (część przetwarzającą bodźce wzrokowe), który porównywał do zegarka kieszonkowego, a ssaczy odpowiednik – do zegara z kukułką.
Wybrane prace Rules and advices on scientific investigation Histology Degeneration and regeneration of the nervous system Manual of normal histology and micrographic technique Elements of histology, etc. Manual of general pathological anatomy New ideas on the fine anatomy of the nerve centres Textbook on the nervous system of man and the vertebrates The retina of vertebrates