Сантьяго родился 1 мая 1852 года в поселке Петилья де Арагон (Наварра) в семье местного фельдшера. В 1866 году работает помощником цирюльника и учеником сапожника в Уэске. В 1870 году заканчивает первый курс университета Сарагосы и через год назначается помощником анатомолога. В 1873 году получает высшее образование. В 1874 году во время первой кубинской войны его направляют на Кубу, где Сантьяго переболел малярией и дизентерией и был на волосок от смерти. В 1875 году возвращается в Испанию и работает помощником анатомолога в Сарагосе. В 1877 году сдает экстерном экзамены в аспирантуре в Мадриде. В 1879 году назначен директором Музея анатомии в Сарагосе и женится на Сильверии Фаньянас Гарсия, в браке с которой родилось семеро детей, двое из которых умерли при жизни Сантьяго в возрасте семи (дочь Энрикета) и двадцати семи лет (сын Сантьяго). В 1880 году публикует свои первые научные работы. В 1883 году побеждает по конкурсу на занятие должности заведующего кафедрой в Университете Валенсии. В 1886 году делает отчет об эпидемии холеры в Валенсии и начинает изучение гистологии, науки о тканях. В 1887 году переезжает в Барселону и работает в Университете на кафедре гистологии.

1893 год стал началом международного признания испанского ученого, когда Кембриджский Университет удостоил Сантьяго звания «Doctor Honoris Causa». В 1900 году в Париже Рамон и Кахаль стал лауреатом Международной Московской Премии, а в 1905 году Имперская Академия Наук Берлина удостоила его Золотой медали Хельмольца. В 1905 году был избран членом Королевской Академии Испании и через год отказался от должности Министра образования Испании. В 1925 году устанавливается мраморная статуя ученому на факультете медицины Сарагосского Университета.

Сантьяго Рамон-и-Кахаль умер в Мадриде 17 октября 1934 года спустя 4 года после смерти своей супруги Сильверии, бывшей всегда надежным тылом своему мужу. Выражение о том, что «за каждым великим мужчиной стоит великая женщина», как нельзя лучше отражает семейные обстоятельства Сантьяго. Хотя его жена всегда говорила: «Моя единственная заслуга заключается в слепой и постоянной вере в него».