Cajal entra en un estado de actividad febril, publica numerosísimos trabajos y en 1889 presenta por primera vez fuera de España sus resultados en el congreso de la Sociedad Alemana de Anatomía. En ese congreso se reconoce su trabajo y se abre ante él el mundo científico que lo estimula. Cajal, junto con algunos otros histólogos del momento, está persuadido de que la red nerviosa difusa no es continua y que está constituida por unidades celulares individuales en contra de la opinión del mismo Golgi. Poco tiempo más tarde, las evidencias de sus trabajos ratificaron decisivamente esta teoría.

En 1892 Cajal gana la cátedra vacante de Histología en Madrid tras una reñida pugna con otros notables candidatos. La importancia de sus descubrimientos es reconocida en el mundo científico fuera de España. En 1894 recibe el primer título en el extranjero de la Academia Médica de Roma y es nombrado Doctor Honoris Causa por la Universidad de Cambridge. A partir de entonces se suceden los títulos y premios de las Academias y Sociedades de Ciencias y de Medicina de todo el mundo, que culminan con la concesión del Premio Nobel en 1906, compartido con su colega y rival Camillo Golgi. No obstante, su investigación continuó incesante hasta concluir sus dos obras principales: Textura del sistema nervioso del hombre y de los vertebrados, en 1904, y Estudios sobre la Degeneración y Regeneración del Sistema Nervioso, en 1914.

En los albores del nuevo siglo Cajal es nombrado director de las nuevas instituciones de la ciencia experimental española: el Laboratorio de Investigaciones Biológicas, en 1901, y la ambiciosa Junta para la Ampliación de Estudios, en 1907.