W zastosowanej przez siebie "czarnej reakcji" ("reazione nera") do utwardzenia preparatów zastosowano dwuchromian potasu, a następnie wybarwienie przy pomocy azotanu srebra.
W 1874 po raz pierwszy wykorzystał swoją metodę w pracy kliniczno-patologicznej, opisując zmiany w ośrodkowym układzie nerwowym w przypadku pląsawicy. W 1875 w jednej z prac opisujących rezultaty doświadczeń z nową techniką barwienia, Golgi opisał zaobserwowane przez siebie komórki nerwowe w opuszkach węchowych. Wciąż stosuje się wprowadzony przez niego podział na komórki typu I (Golgiego I, neurony projekcyjne) i typu II (Golgiego II, interneurony).
W 1878 opisał proprioceptory, struktury ścięgien, nazwane na jego cześć organami ścięgnistymi Golgiego. W tym samym roku opisał ciałka, zwane dziś ciałkami Golgiego–Mazzoniego.
W latach 1878–1879 opracował kolejną metodę barwienia, wykorzystującą dwuchromian potasu i sublimat. W 1891 niewielką zmianę tej metody wprowadził Willem Hendrik Cox – chlorek rtęci został dodany do pierwotnego utrwalacza.