Nominato immediatamente dopo la laurea direttore del laboratorio anatomo-patologico del manicomio di Torino, dove poté condurre studi di angiologia, ematologia, neuropatologia e anatomia del sistema nervoso, quest'ultima in particolare grazie alla collaborazione avviata con Camillo Golgi, professore dell'Università degli Studi di Pavia, a una nuova tipologia di colorazione delle cellule nervose e all'analisi dell'infiammazione del cervello. Su invito di Golgi, Mondino si stabilì per un breve periodo nel 1884 nel laboratorio di Pavia, dove si interessò allo studio della struttura delle fibre nervose periferiche, confermando con un proprio lavoro sperimentale i risultati degli studi svolti da Golgi e Giulio Rezzonico sugli imbuti cornei.