В 1856 году поступил сразу во второй класс 2-й Харьковской гимназии. Окончив её с золотой медалью, стал вольнослушателем на естественном факультете Харьковского университета и закончил его экстерном в 19 лет, пройдя четырёхлетний университетский курс за два года.

За выдающиеся успехи Илья Мечников получил стипендию и возможность стажироваться в Германии. Затем он работал в Италии вместе с одним из основоположников эволюционной эмбриологии Александром Ковалевским. Опубликовав результаты совместных исследований, учёные стали первыми лауреатами премии имени Карла Бэра, только что утверждённой Петербургской Академией наук.

В 1865 году Мечников открыл феномен внутриклеточного пищеварения и доказал единство происхождения позвоночных и беспозвоночных животных.

Летом 1867 года Мечников стал доцентом Новороссийского (Одесского) университета, на следующий год – доцентом Петербургского университета.

К 1882–1884 годам относится зарождение фагоцитарной теории Мечникова, его увлечение вопросами иммунологии и патологии. В 1883 году вышла основополагающая статья ученого «О внутриклеточном пищеварении у беспозвоночных», из которой выросла теория воспаления и клеточного иммунитета.

В 1886 году совместно с Николаем Гамалеей Мечников основал Одесскую бактериологическую станцию для борьбы с инфекционными заболеваниями. Здесь создавали и применяли вакцины и сыворотки не только против холеры, сибирской язвы и туберкулёза, но и против опасных болезней животных – бешенства, ящура и прочих эпизоотий. Впоследствии на основе станции возник Одесский научно-исследовательский институт вирусологии и эпидемиологии. Илья Ильич работал также над сущностью основного патологического процесса и воспаления.

О необычной судьбе и жизненных испытаниях Ильи Мечникова можно узнать из материалов Президентской библиотеки:
Онлайн-проект «Великая Россия»: https://www.prlib.ru/Great_Russia/scientists_XIX/Mechnikov
Коллекция «Мечников Илья Ильич (1845–1916)»: https://www.prlib.ru/section/1982447.