Trabajó algún tiempo en la clínica psiquiátrica del criminólogo Cesare Lombroso, pero pronto se interesó por la histología.

Este descubrimiento permitió a Wilhelm von Waldeyer-Hartz formular la hipótesis de que las células nerviosas son las unidades estructurales básicas del sistema nervioso, hipótesis que más tarde demostraría Santiago Ramón y Cajal, quien desarrolló la teoría neuronal.

[1]​ Entre 1885 y 1893 dedicó sus investigaciones al estudio del paludismo, y llegó a resultados tan importantes como la distinción entre el paludismo terciano y cuartano, en cuanto patologías provocadas por dos especies diferentes de un mismo protozoo parásito denominado Plasmodium, así como la identificación del acceso febril como originado por la liberación por parte de dicho organismo de esporas en el flujo sanguíneo.

[1]​ En 1906 Golgi recibió el Premio Nobel de Medicina conjuntamente con Santiago Ramón y Cajal (1852-1934) por sus estudios sobre la estructura del sistema nervioso.

En Pavia existen varios lugares que rinden homenaje a Golgi.