Старший брат И. И. Мечникова – Лев Ильич Мечников – швейцарский географ и социолог, анархист, участник национально-освободительного движения в Италии (рисорджименто).

Другой брат И. И. Мечникова – Иван Ильич Мечников, тульский губернский прокурор, стал прототипом героя известной повести Л. Н. Толстого «Смерть Ивана Ильича» (1886).

Детство Ильи прошло в имении отца Панасовке (ныне с. Мечниково), где у него пробудились любовь к природе и интерес к естественным наукам. Этому помогло влияние студента-медика, домашнего учителя старшего брата Льва.

Мать Ильи всемерно способствовала тому, чтобы Илья – последний из пяти ее детей и четвертый по счету сын – выбрал карьеру ученого.

В 1856 году Илья Мечников поступил сразу во 2-й класс харьковской гимназии, которую окончил с золотой медалью в 1862 году. Еще гимназистом Мечников посещал лекции по сравнительной анатомии и физиологии в Харьковском университете, занимался микроскопированием, читал естественнонаучную литературу, а также модных в то время Людвига Бюхнера, Якоба Молешотта, Людвига Фейербаха.

По окончании гимназии Мечников отправился учиться в Германию. Но его приняли холодно русские студенты и не понравились квартирные хозяева. Илья сразу же вернулся в Россию и поступил на естественное отделение физико-математического факультета Харьковского университета. Из поездки Мечников привез «Происхождение видов» Чарлза Дарвина – книгу, оказавшую большое влияние на формирование его эволюционно-материалистических взглядов.

Четырехлетний университетский курс Илья Мечников прошел за два года. К этому времени 19-летний кандидат наук под влиянием Дарвина определил своей научной целью поиски промежуточных форм между различными группами беспозвоночных.

В 1864 году он уехал за границу и сначала работал на острове Гельголанд в Северном море, где установил новую группу червей – гастротрих, родственных нематодам и коловраткам. Осенью того же года И. Мечников перебрался в Гисенский университет, в лабораторию немецкого зоолога Рудольфа Лейкарта, пребывание в которой стало возможным благодаря государственной стипендии, полученной при содействии Николая Ивановича Пирогова. Здесь Мечников открыл сложный цикл развития (чередование поколений) у паразитических нематод.

В 1865 году Илья Ильич Мечников переехал для продолжения исследований в Неаполь, где познакомился с российским биологом Александром Онуфриевичем Ковалевским. Знакомство, переросшее в многолетнюю дружбу, определило направление научной деятельности Мечникова. Здесь, на берегу Неаполитанского залива, он и Ковалевский начали изучать эмбриональное развитие морских беспозвоночных. Эти исследования, подчиненные главной идее – доказательству единства происхождения всех групп животных, – положили начало эволюционной эмбриологии.

Возвращаясь в Россию в 1867 году, И. Мечников имел значительные успехи. Изучив развитие головоногих моллюсков, он сделал принципиальное обобщение: в эмбриональном развитии беспозвоночных формируются те же зародышевые листки, что и у позвоночных животных. Это положение легло в основу магистерской диссертации, которую Мечников защитил в Петербургском университете в 1867 году.

Изучая ресничных червей – планарий, Илья Ильич впервые обнаружил в 1865 году феномен внутриклеточного пищеварения. Вместе с Ковалевским он в 1867 получил премию имени Карла Бэра, присуждаемую Академией наук за работы по эмбрилогии. Тогда же он был избран доцентом Новороссийского университета, а в 1868 стал приват-доцентом Петербургского университета и в этом же году защитил докторскую диссертацию.

В 1868—1870 годах, с краткими перерывами, Илья Мечников продолжил за границей исследования по эмбриологии различных групп беспозвоночных.

С 1870 по 1882 год Илья Ильич Мечников – ординарный профессор кафедры зоологии и сравнительной анатомии Новороссийского университета в Одессе. Это был сложный период в жизни ученого.

Не сложились отношения с коллегами и университетским начальством, не случилось взаимопонимания с радикально настроенным студенчеством. Все это привело к тому, что в 1882 году И. И. Мечников покинул университет.

Несмотря на неблагоприятные обстоятельства, эти годы не были бесплодными для ученого. Многолетнее изучение развития губок, иглокожих и медуз привело к формированию концепции происхождения многоклеточных животных (Фагоцителлы теория). По Мечникову, их предком была не двуслойная полая гастрея немецкого биолога-эволюциониста Эрнста Геккеля (1873) (Гастреи теория), а архаический, представляющий компактную массу клеток организм, названный Мечниковым паренхимеллой. Позднее, в 1886 году Мечников переименовал паренхимеллу в фагоцителлу. Последнее название отражало и способ питания этого гипотетического организма.