Golgi lahir di Córteno Golgi, provinsi Brescia, Italia. Ayahnya adalah seorang dokter dan petugas kesehatan daerah tersebut. Golgi belajar ilmu kedokteran di Universitas Pavia, di mana ia bekerja dalam percobaan laboratorium patologi bersama Giulio Bizzozero, tokoh yang menjelaskan sumsum tulang. Golgi lulus pada 1865. Ia banyak menghabiskan masa kariernya dengan meneliti sistem saraf pusat.
Ketika bekerja sebagai kepala petugas kedokteran di sebuah rumah sakit jiwa, ia mencoba memasukkan logam pada jaringan saraf, terutama dengan logam perak (pengotoran perak atau silver staining). Ia menemukan sebuah metode pengotoran jaringan saraf yang akan mengotorkan beberapa sel secara acak. Hal ini membuatnya dapat mengamati jalur-jalur pada sel-sel saraf di otak untuk pertama kalinya. Ia menyebut penemuannya sebagai "reaksi hitam" (dalam bahasa Italia: reazione nera). Metode ini dikenal sebagai metode Golgi atau pengotoran Golgi. Alasan mengapa terjadi pengotoran acak masih belum dapat dijelaskan.
Hipokampus dikotori dengan metode perak nitart. Gambar oleh Golgi.
Pada reaksi hitam terjadi fiksasi partikel perak kromat pada membran neuron (sel saraf) yang disebut neurilemma dengan mereaksikan perak nitrat dengan kalium dikromat. Reaksi ini menghasilkan suatu zat hitam pada badan sel saraf, akson, dan dendrit.
Golgi juga menemukan organ sensorik tendon yang nantinya disebut reseptor Golgi. Ia mempelajari siklus hidup dari Plasmodium falciparum dan membandingkan masa demam yang terjadi pada pasien malaria dengan siklus hidup organisme ini. Dengan menggunakan teknik pengotorannya, Golgi berhasil mengidentifikasi sebuah bagian dalam sel pada 1898. Bagian itu sekarang dikenal sebagai badan Golgi.
