Камилло Гольджи родился 7 июля 1843 года (по некоторым источникам 7 июля 1844 года) на севере Италии, в деревне Кортено (сейчас Кортено-Гольджи), рядом с городом Брешиа. Его отец был врачом, что и определило дальнейшую судьбу будущего нобелевского лауреата.Медицинское образование Гольджи получил в университете Павии. Среди его преподавателей были такие видные медики XIX века, как Паоло Мантегацца и Джулио Биззоцеро (сам Гольджи позже заявлял, что Биззоцеро очень сильно повлиял на него и его научные исследования). После окончания университета в 1865 году Гольджи продолжил работу в местном госпитале св. Матвея.
В это время он в основном занимался неврологией, в том числе расстройствами психики и изучением мозга.
В 1872 году Гольджи был приглашен на пост главного врача в госпиталь хронических болезней в Аббьятеграссо, и, как считается, именно здесь, в уединении, превратив маленькую кухню в лабораторию, он начал изучение нервной системы человека.Некоторое время Гольджи занимал должность профессора гистологии в университете Павии, затем короткое время пребывал в Сиене, но снова вернулся в Павию, где в 1881 году получил кафедру общей патологии, унаследовав её от своего учителя, Джулио Биззоцеро. Гольджи надолго обосновался в Павии и женился на племяннице Биззоцеро, Донне Лине.Ещё во время работы в госпитале св. Матвея Гольджи проявлял интерес к изучению малярии. Ему удалось определить три формы паразитов и три вида лихорадки, связанных с этой болезнью. После длительного изучения в 1890 году Гольджи нашёл способ наиболее характерных фаз.Гольджи был известным преподавателем, чья лаборатория была всегда открыта желающим заниматься наукой.
Он никогда не занимался практической медициной, но возглавлял отделение общей патологии в госпитале св. Матвея, где проходили практику молодые доктора.
Он также основал и возглавил Институт серотерапии и вакцинации провинции Павия. Гольджи долгое время являлся ректором университета Павии и избирался сенатором Итальянского королевства.
В 1905 году он стал иностранным членом-корреспондентом Российской академии наук.
К началу Первой мировой войны Гольджи перешагнул семидесятилетний рубеж, но принял на себя руководство военным госпиталем в Павии, на базе которого создал нейропатологический и механотерапевтический центр для изучения и лечения периферической нервной системы и реабилитации раненых.
Но величайшей работой Гольджи стал революционный метод окрашивания отдельных нервов и клеток, названный «чёрной реакцией» .
В методе использовался слабый раствор нитрата серебра, с помощью которого удавалось проследить процесс деления клетки. Гольджи считал свои заслуги более чем скромными, хотя на самом деле метод стал настоящим открытием.
В течение всей жизни он продолжал работу над процессом, изменяя и совершенствуя технологию.Высшее признание пришло к Гольджи в 1906 году, когда он был награждён Нобелевской премией за изучение нервной системы, разделив её с Сантьяго Рамон-и-Кахалем.
В музее университета Павии есть зал, посвящённый Гольджи, где представлены более восьми десятков дипломов, грамот и других наград, полученных учёным.
В браке с Донной Линой Алетти Гольджи не имел собственных детей, но пара удочерила племянницу Гольджи. 21 января 1926 года в Павии, где прожил всю жизнь, Гольджи скончался.