Médico histólogo y cientifico español. Destacó en el campo de la histología trabajando con Nicolás Achucarro y Santiago Ramón y Cajal.

Hijo de Juan del Río y de Dolores Hortega; hermano de Julián, León, Gregorio, Felisa, Catalina, María, entre otros.

Cursó el bachillerato en Valladolid y obtuvo la licenciatura en Medicina en su universidad en 1905. Obtuvo plaza de médico titular en su pueblo natal en 1907 ejerciendo durante un tiempo. En 1909 marchó a Madrid para realizar el doctorado en la Universidad Central, el cual obtuvo con la tesis: "Causas y anatomía patológica de los tumores del encéfalo". Después abandonó el ejercicio profesional.

Pensionado por la Junta de Ampliación de Estudios (JAE) en 1913, amplió su formación en diferentes instituciones europeas, entre ellas algunas de Londres y París. Volvió a España en 1915 para trabajar en el Laboratorio de Histología Normal y Patológica que fundó la JAE. Allí estuvo con Nicolás Achúcarro, la figura que más le influyó tanto desde el punto de vista de los conceptos como de la práctica. A su muerte, en 1918, le sucedió en la dirección del Laboratorio. En 1928 fue también nombrado jefe de la Sección de Investigación del Instituto Nacional del Cáncer, que llegó a dirigir tres años después, en 1931.

Poco después del inicio de la Guerra Civil Española, Río-Hortega se exilió en París y alí trabajó en el servicio de neurocirugía del Hospital de la Pitié. Marchó después a la Universidad de Oxford junto al neurocirujano Hugh Cairns.

En 1940 fue invitado por la Institución Cultural Española de Buenos Aires, para dar un curso. Se quedó en la capital argentina para dirigir un Laboratorio de Investigaciones Histológicas e Histopatológicas. Además, fundó la revista Archivos de Histología Normal y Patológica. En 1943 le nombraron doctor honoris causa y profesor extraordinario de la Universidad de La Plata.

Falleció de un cáncer en junio de 1945. Del Río-Hortega fue propuesto dos veces para el Premio Nobel. Después de Ramón y Cajal es la figura más destacada de la llamada Escuela Histológica Española. El CSIC publicó unas memorias tituladas El maestro y yo (1986).