Основное направление научных исследований Рамон-и-Кахаля анатомия и гистология нервной системы. Ученый открыл отростки нервных клеток дендриты (1890). Создал учение о нейроне как структурной единице нервной системы (1894). Подробное описание им структуры в месте контакта нейронов сыграло важную роль в развитии современных представлений о синапсах. Рамон-и-Кахалю принадлежат классические исследования по регенерации поврежденных нервов, строению сетчатки глаза, спинного мозга, мозжечка.
Рамон-и-Кахаль автор учебника по структуре нервной системы у человека и позвоночных (Les nouvélles idées sur la structure du systéme nerveux chez l"homme et chez les vertébrés, 1894), а также двухтомного труда по гистологии нервной системы (Histologie du systéme nerveux de l"homme et des vertébrés, 19091911). В последние годы жизни он опубликовал сборник афоризмов Беседы в кафе (Charlas de Café) и еще несколько книг, в том числе Мир глазами 80-летнего (El Mundo Visto a los Ochenta Años).
Умер Рамон-и-Кахаль в Мадриде 17 октября 1934.
История биологии. С древнейших времен до начала XX века. М., 1972