Илья был четвертым по счету сыном и последним из пятерых детей у своей матери, в девичестве Эмилии Львовны Невахович. Эмилия Львовна происходила из купеческого сословия. Ее отец – богатый еврей, принявший в последние годы жизни лютеранство, – переехал в Петербург, отошел от дел и занялся философией и литературой. Он был вхож в литературные круги столицы, знаком с Пушкиным и Крыловым.
Отец будущего ученого – Илья Иванович Мечников – служил офицером войск царской охраны в Санкт-Петербурге, был человеком образованным, но увлекающимся. До переезда в украинское поместье большую часть приданого жены и имущества семьи он проиграл в карты.
Детство Мечникова прошло в имении отца Панасовка, где у него с малых лет пробудились любовь к природе и интерес к естественным наукам, который формировался под влиянием студента-медика, который был домашним учителем у старшего брата Льва. В 1856 г. Илья Мечников поступил сразу во 2-й класс Харьковской гимназии.
Учась в гимназии, Мечников проявил выдающиеся способности. В шестом классе он перевел с французского книгу Груве «Взаимодействие физических сил», а в 16 лет написал критическую статью на учебник по геологии, которая была опубликована в московском журнале.
В 1862 г. Мечников оканчивает с золотой медалью гимназию и решает отправиться в Германию, в Вюрцбургский университет, чтобы изучать структуру клетки. Но по прибытии в Германию он узнает, что занятия начнутся только через 6 недель. Обескураженный холодным приемом со стороны русских студентов и квартирных хозяев, Мечников возвращается в Россию и поступает в Харьковский университет.
Из поездки Мечников привез книгу Чарлза Дарвина «Происхождение видов», оказавшую большое влияние на формирование его эволюционно-материалистических взглядов.
Осенью 1863 г. Илья Мечников подает заявление с просьбой отчислить его из университета. Он решает ускорить процесс обучения и, подготовившись самостоятельно, заканчивает университетский четырехгодичный курс естественного отделения физико-математического факультета за два года.
В течение последующих трех лет он занимается подготовкой своей кандидатской диссертации, изучает эмбриологию беспозвоночных животных в различных лабораториях Европы. Летом 1864 г. Мечников отправляется на остров Гельголанд в Северном море, где было изобилие морских звезд, выбрасываемых на берег, которые ему были необходимы для исследований.
Финансовое положение молодого ученого было сложным, но при помощи знаменитого хирурга Пирогова Мечникову удалось стать профессорским стипендиатом. Он получил стипендию на два года по 1600 рублей в год, что позволило ему целиком посвятить себя науке.
В 1865 г. Мечников переехал для продолжения исследований в Неаполь, где познакомился с русским зоологом А.О. Ковалевским. Это знакомство, переросшее в многолетнюю дружбу, определило направление научной деятельности Мечникова. На берегу Неаполитанского залива Мечников и Ковалевский начали изучать эмбриональное развитие морских беспозвоночных. Эти исследования, подчиненные главной идее – доказательству единства происхождения всех групп животных, – положили начало науке эволюционной эмбриологии.
Ко времени возвращения в Россию в 1867 г. Мечников получил важные результаты. Изучив развитие головоногих моллюсков, он сделал обобщение: в эмбриональном развитии беспозвоночных формируются те же зародышевые листки, что и у позвоночных животных. Это открытие легло в основу его магистерской диссертации, которую Мечников защитил в Петербургском университете в 1867 г.
А изучая ресничных червей планарий, Мечников впервые в 1865 г. обнаружил феномен внутриклеточного пищеварения. Вместе с Ковалевским Мечников в 1867 г. получает премию имени К. Бэра, присуждаемую Академией наук за работы по эмбриологии, и избирается доцентом Новороссийского университета.
Тогда же из-за чрезмерно напряженной работы у него стали болеть глаза. Это недомогание беспокоило его в течение последующих пятнадцати лет, почти не позволяя работать с микроскопом.
В 1867 г. Мечников защитил докторскую диссертацию об эмбриональном развитии рыб и ракообразных и получил докторскую степень Петербургского университета, в котором начал преподавать зоологию и сравнительную анатомию.
В Петербурге Мечников сдружился с семьей Бекетовых, в доме которых часто бывала Людмила Васильевна Федорович, больная туберкулезом, его будущая жена, с которой Мечников обвенчался в 1869 г.
В день свадьбы из-за одышки невеста не могла на своих ногах пройти расстояние от экипажа до алтаря церкви. Бледную, с восковым лицом невесту внесли в церковь в кресле. Мечников надеялся, что его любовь и забота смогут исцелить больную жену. Началась изнурительная борьба с болезнью и финансовой нуждой. Но через четыре года, несмотря на лечение за рубежом, жена Мечникова умерла от туберкулеза на Мадейре.
После смерти жены и резкого ухудшения зрения, которое вообще ставило под вопрос его занятий наукой, Мечников пришел в отчаяние и попытался покончить с собой, выпив морфий. Доза морфия оказалась слишком большой, и его вырвало.
В 1870 г. Мечников переезжает в Одессу, где начинает читать зоологию студентам университета в Одессе. В 1875 г., работая в Одессе, он женится во второй раз на студентке Ольге Белокопытовой, которая была на тринадцать лет его моложе. Когда жена заразилась брюшным тифом, Мечников, боясь, что жена может умереть раньше его, снова попытался покончить с собой, введя себе бактерии возвратного тифа. Но, тяжело переболев, он все же выздоровел. Как ни странно, эта болезнь повлияла на ученого благотворно: его зрение резко улучшилось, а характерный для Мечникова пессимизм почти исчез.
В 1881 г. Мечников ушел в отставку в знак протеста против репрессивных действий правительства начавшихся после убийства Александра II, он уезжает в Италию и поселяется в Мессине.
«В Мессине, – вспоминал Мечников позднее, – совершился перелом в моей научной жизни. До того зоолог, я сразу сделался патологом».
Главное открытие Мечникова, которое изменило ход всей его жизни, было связано с наблюдениями над личинками морской звезды. В 1882 г., изучая в Италии морские звезды, Мечников заметил, что их подвижные клетки окружают и поглощают чужеродные тела. Наблюдая под микроскопом за подвижными клетками (амебоцитами) личинки морской звезды, ученый открыл, 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 убедительным экспериментом. Введя в тело прозрачной личинки шип розы, он через некоторое время увидел, что амебоциты скопились вокруг занозы. Клетки либо поглощали, либо обволакивали инородные тела «вредных деятелей», попавшие в организм. Мечников эти клетки назвал фагоцитами, а само явление фагоцитозом, от греческого слова «фагейн» – «есть». И в следующем, 1883 г., Мечников сделал в Одессе доклад на съезде естествоиспытателей и врачей «О целебных силах организма».
Мечников обнаружил, что не только у морских звезд, но и у каждого живого организма есть эти особые защитные клетки-фагоциты, у человека ими являются лейкоциты – белые кровяные тельца. Опираясь на данное открытие, Мечников предложил рассматривать болезнь как борьбу между фагоцитами и болезнетворными микробами. Однако эта идея была настолько нетрадиционна, что вначале мало кто из ученых ее принял.
Но Мечников не первым заметил, что лейкоциты у животных и человека пожирают вторгшиеся чужеродные организмы, включая бактерии. Однако в то время ученые полагали, что этот процесс поглощения служит для того, чтобы распространять чужеродные вещества по организму через кровеносную систему. Мечников это мнение опроверг: лейкоциты, подобно фагоцитам, выполняют именно защитную или санитарную функцию в организмах.
В 1886 г. Мечников вернулся в Одессу, где возглавил созданную им совместно с Н.Ф. Гамалея первую в России и вторую в мире бактериологическую станцию, которая должна была заниматься изготовлением вакцин и прививок против бешенства, борьбой с саранчой и т. д. Однако недолго он выдержал многочисленные упреки в том, что у него нет медицинского образования. Из-за препятствий, чинившихся ему властями, Мечников отказался от заведования станцией. У него созрело решение покинуть Россию и искать пристанища за границей.