In quella cucina allestisce un laboratorio di istologia in cui, nel 1873, mette a punto la rivoluzionaria "reazione nera" (metodo di Golgi). Questo metodo permette di colorare selettivamente le cellule nervose e la loro struttura organizzata. La sua scoperta viene conosciuta e apprezzata nella dovuta misura solo molti anni più tardi, soprattutto per merito del suo principale mentore, il patriarca della biologia ottocentesca Rudolf Albert von Kölliker. Trasferitosi a Pavia, ottiene le cattedre ordinarie di Istologia e Patologia generale, indi è nominato rettore dell'Università, incarico che ricoprirà a più riprese (1893-1896 e 1901-1909).