Fillo dun funcionario do departamento médico, estudou medicina na Universidade de Pavia, onde se graduou en 1865. Traballou algún tempo na clínica psiquiátrica do criminólogo Cesar Lombroso, pero pronto se interesou pola histoloxía. En 1872 comezou a traballar no pavillón de incurábeis dun hospital de Abbiategrasso. Exerceu como profesor de anatomía nas Universidades de Turín e Siena e como catedrático de histoloxía na de Pavia, da que chegou a ser decano da Facultade de Medicina e reitor.
A pesar dos escasos medios con que contaba, logrou importantes resultados cos seus experimentos, entre os que destaca o método da tintura mediante nitrato de prata, que supuxo unha revolución no estudo en laboratorio dos tecidos nerviosos. Empregando este método, identificou unha clase de célula nerviosa dotada dunhas extensións (ou dendritas) mediante as cales se conectan entre si outras células nerviosas. Este descubrimento permitiu a Wilhelm von Waldeyer-Haltz formular a hipótese de que as células nerviosas son as unidades estruturais básicas do sistema nervioso, hipótese que máis tarde demostraría Santiago Ramón y Cajal, quen desenvolveu a teoría neuronal.
En 1876, tralo seu regreso á Universidade de Pavia, continuou o exame das células nerviosas, e obtivo probas da existencia dunha rede irregular de fibriñas, cavidades e gránulos, que na súa honra pasaron a denominarse aparato de Golgi e que desempeña un papel esencial en operacións celulares como a construción da membrana, o almacenamento de lípidos e proteínas ou o transporte de partículas ó longo da membrana plasmática.
Entre 1885 e 1893 dedicou as súas investigacións ó estudo do paludismo, e chegou a resultados tan importantes como a distinción entre o paludismo terciano e cuartano, en canto patoloxías provocadas por dúas especies diferentes dun mesmo protozoo parasito denominado Plasmodium, así como a identificación do acceso febril como orixinado pola liberación por parte do devandito organismo de esporas no fluxo sanguíneo.
