В 1856 г. поступил сразу во 2-й класс харьковской гимназии, которую окончил с золотой медалью в 1862 г. Уверяют, однако, что Мечников с большой неохотой и ропотом тянул учебную лямку и в гимназии лишь перед выпускными экзаменами приналег на учебу, желая заслужить у родителей разрешение на поездку за границу для занятий биологией.
Еще гимназистом Мечников посещал лекции по сравнительной анатомии и физиологии в Харьковском университете, занимался микроскопированием, читал научную литературу. Курс естественного отделения физико-математического факультета Харьковского университета прошел за 2 года вместо четырех (спецподготовка у профессора физиологии И.П. Щелкова). На грани между гимназией и университетской скамьей, в 1862 г., то есть 17 лет, Мечников написал свою первую научную статью «Некоторые факты из жизни инфузорий», опубликованную лишь через три года.
Представляет интерес рецензия, написанная юным Мечниковым в феврале 1863 г. и так и оставшаяся тогда ненапечатанной. 18-летний юноша выступил с критикой труда Дарвина о происхождении видов, совершившего переворот в биологии. Называя работу Дарвина «замечательной книгой», а также предрекая идее изменяемости видов большую будущность, Мечников, однако, нашел ряд возражений против некоторых основных положений теории Дарвина, сохранив эту критику в своих убеждениях и в зрелые годы, когда о проблемах дарвинизма он напишет ряд теоретических статей: «Антропология и дарвинизм» (1875), «Очерк вопроса о происхождении видов» (1876), «Борьба за существование в обширном смысле» (1876) и некоторые другие.
Девятнадцатилетний Илья Мечников окончил Харьковский университет с ученой степенью кандидата естественных наук и уехал за границу и сначала работал на острове Гельголанд в Северном море, где открыл новую группу червей. Осенью того же года И. Мечников перебрался в Гисенский университет, в лабораторию Р. Лейкарта, пребывание в которой стало возможным благодаря государственной стипендии, полученной при содействии знаменитого Н.И. Пирогова.
Получив научную стипендию, Мечников в следующем году отправился в Неаполь и вместе с А.О. Ковалевским занялся природоведением, исследуя многочисленных представителей морской фауны. Эти зоологические и эмбриологические наблюдения впоследствии помогли И.И. Мечникову обосновать и развить учение о внутриклеточном переваривании патогенных микробов в сложном организме животного и человека. Начиная с 1865 г. Ковалевским и Мечниковым были опубликованы многочисленные работы по зародышевому развитию беспозвоночных, ошеломившие тогда весь научный мир. Они окончательно доказали единство и общность всего животного мира и дали образцы применения эволюционного учения в области эмбриологии.
В Неаполе состоялось первое знакомство Мечникова с русским физиологом И.М. Сеченовым.
В 1870 г. Илья Ильич был избран профессором зоологии Новороссийского университета (Одесса). 25-летний профессор быстро завоевал репутацию выдающегося лектора. Однако это вызывало недружелюбное отношение коллег и начальства, и в 1882 г. он вынужден был уехать за границу. К тому же в 1873 г. от туберкулеза умерла первая жена Мечникова – Людмила Федорович. Отличавшийся болезненной впечатлительностью, Мечников настолько тяжело переживал это событие, что сделал попытку самоубийства (спасла его слишком большая доза морфия, вызвавшая рвоту).
В 1875 г., будучи преподавателем Одесского университета, Мечников и женился на 15-летней студентке Ольге Белокопытовой. Когда она заразилась брюшным тифом, Мечников снова попытался свести счеты с жизнью, на этот раз посредством инъекции возбудителей возвратного тифа. Тяжело переболев, он выздоровел: болезнь поубавила его пессимизм и даже вызвала улучшение зрения. И от второй жены у Мечникова не было детей; после смерти родителей Ольги, ушедших из жизни друг за другом в течение года, супруги стали опекунами двух ее братьев и трех сестер.
Не только интриги недоброжелателей, но и политические беспорядки на родине угнетали ученого. Вслед за убийством государя Александра II в 1881 г. и в связи с тяжелой общественной атмосферой, осенью 1882 г. Мечников вместе с молодой супругой, другом и помощником во всех делах уехал в Мессину (Италия), где и сделал свое наиболее известное открытие.
Наблюдая в микроскоп за подвижными клетками (амебоцитами) личинки морской звезды, он понял, что эти клетки, захватывающие и переваривающие органические частицы, не только участвуют в пищеварении, но и выполняют в организме защитную функцию. Это предположение Мечников подтвердил простым и убедительным экспериментом. Введя в тело прозрачной личинки шип розы, он через некоторое время увидел, что амебоциты скопились вокруг занозы. Клетки, которые либо поглощали, либо обволакивали инородные тела («вредных деятелей»), попавшие в организм, Мечников назвал фагоцитами, а само явление – фагоцитозом. В следующем, 1883 г. ученый сделал на съезде естествоиспытателей и врачей в Одессе доклад «О целебных силах организма». Последующую четверть века он посвятил развитию фагоцитарной теории иммунитета.
