Golgi inició el estudio de la estructura precisa del sistema nervioso y además descubrió el
Golgi inició su investigación histológica en Abbiategrasso en una época en la que no se disponía de técnicas adecuadas para el estudio de las células nerviosas. Trabajó en el problema y, en 1873, diseñó un método para colorear las células con sales de plata. Esto le permitió percibir muchos detalles bajo el microscopio y le procuró un modo sistemático de estudiar la anatomía precisa del sistema nervioso.
Descubrió diversos tipos de células nerviosas y otros cuerpos, muchos de los cuales nombró él, y comprendió que las fibras largas, llamadas axones, están relacionadas con la transmisión de los impulsos nerviosos. También trazó la diferencia entre las fibras de los nervios sensores, que reúnen la información, y las fibras motoras, que distribuyen las órdenes a los músculos y los órganos. Publicó sus descubrimientos en una serie de artículos y un libro sobre la histología del sistema nervioso (1885). Por este último trabajo le concedieron el premio Nobel de medicina o de fisiología.
En 1885 Golgi empezó a investigar la naturaleza del parásito de la malaria Plasmodium, identificado cinco años antes como la causa de esta enfermedad. Golgi descubrió que cada ataque de fiebre que sufría un paciente de malaria estaba motivado por la liberación de una nueva generación de parásitos en la corriente sanguínea. También demostró que los dos tipos principales de fiebre estaban causadas por especies diferentes de Plasmodium, y diseñó nuevos y más efectivos tratamientos para la enfermedad.