Cajal passò alla storia anche per la polemica dai toni molto accesi con Camillo Golgi. Questa famosa diatriba ebbe un momento culmine nel 1906 durante la giornata dell'assegnazione del Premio Nobel per la Medicina che i due condivisero. L'italiano fu il primo ad esporre la teoria della "rete diffusa", ma Ramón y Cajal intervenne a smentire il predecessore, convinto che ogni neurone costituisse un'unità a sé stante (Teoria del Neurone) per cui le cellule nervose fossero tra loro contigue ma non continue. In particolare, Cajal ipotizzò che una sorta di fenomeno induttivo permettesse la trasmissione dell'impulso nervoso grazie a particolari sostanze tra le cellule. Golgi, freddo e accademico, e Ramón y Cajal, impulsivo ed entusiasta, non resistettero alla tentazione di discutere e difendere le proprie idee anche in un'occasione regale ed ufficiale come quella. Oltre alla teoria dei neuroni, Ramón y Cajal sosteneva anche la legge della polarizzazione dinamica per la quale si spiega la trasmissione a distanza dell'impulso elettrico, il grande ostacolo che la teoria dei neuroni doveva sormontare per spiegare il ricorso a impulsi nervosi ricevuti ed inoltrati dalle varie componenti del neurone.