Otkrio je metodu obilježavanja čitavihživčanih stanica (neurona), ali u slučajnom uzorku. To mu je omogućilo promatranje povezanosti živčanih stanica (živčani putevi) umozgu). Svoje otkriće nazvao je "crna reakcija", koje je kasnije preimenovano prema njemu (Golgijeva metoda). Razlog zašto je obilježavanje stanica slučajno, zašto su neke stanice obojene, a neke ne, još uvijek nije razjašnjen."Crna reakcija" sastoji se od vezivanja čestica srebrnog kromata za neurilemu (membranu neurona) reakcijom srebrnog nitrata s kalijevim dikromatom. Rezultat su crni depoziti nasomi,aksonu i svimdendritima što omogućuje vrlo jasnu slikuneurona na žutoj pozadini.
Uz ovo otkrića, Gogli je otkriotetivni senzorni organ koje nosi njegovo ime (Golgijev receptor). Proučava je životni ciklusPlasmodium falciparum (uzročnikamalarije) i povezao je početak vručice u malariji sa životnim ciklusom organizma. Koristeći svoju tehniku bojanja Golgi je otkrio unutarstanični retikularni aparat 1898.g. koji nosi njegovo ime (Golgijev aparat).
U fiziologiji bubrega Golgi je poznat po tome što je prvi pokazao da se distalni tubulnefrona vraća glomerolusu od kojeg polazi. Otkriće iz 1889.g.(Golgi, C. Annotazioni intorno alli'Istologia dei reni dell'uomo e di altri mammifieri e sull'istogenesi dei canalicoli oriniferi. Rendiconti R. Acad. Lincei 5: 545-557, 1889.)
