Илья Ильич Мечников родился 15 мая 1845 года в деревне Ивановке, расположенной на Украине, неподалеку от Харькова. Его отец Илья Иванович, офицер войск царской охраны в Санкт-Петербурге. Мечников учился в Харьковском лицее.
В 1862 году он окончил среднюю школу с золотой медалью. Затем он поступил в Харьковский университет. Осенью 1863 года Илья подает заявление с просьбой отчислить его из университета. Мечников решил ускорить процесс обучения и, подготовившись самостоятельно, закончил университетский четырехгодичный курс естественного отделения физико-математического факультета за два года.
Для подготовки кандидатской работы Мечников отправляется летом 1864 года на остров Гельголанд в Северном море. В течение следующих трех лет Мечников занимался изучением эмбриологии беспозвоночных. 5 сентября большая группа зоологов прибыла с Гельголанда в Гиссен на съезд естествоиспытателей.
Мечников стал работать в лаборатории Рудольфа Лейкарта в Гисене. Исследуя размножение некоторых круглых червей, Мечников открыл у этих животных ранее неизвестное науке явление гетерогонии, то есть чередование поколений с перемежающимися формами размножения.
В 1865 году Мечников познакомился с молодым русским зоологом Александром Ковалевским и вместе с ним проводил опыты в Неаполе. Работа, в которой они показали, что зародышевые листки многоклеточных животных являются, по существу, гомологичными (демонстрирующими структурное соответствие), как и должно быть у форм, связанных общим происхождением, принесла им премию Бэра. В 1867 году, защитив диссертацию об эмбриональном развитии рыб и ракообразных, Мечников получил докторскую степень Петербургского университета, где затем преподавал зоологию и сравнительную анатомию.
Зимой 1870 года Мечников начал читать зоологию студентам университета в Одессе.
Вслед за убийством царя Александра II в 1881 году реакционные действия правительства усилились, и Мечников, подав в отставку, переехал в итальянскую Мессину.
Наблюдая за личинками морской звезды, Мечников заметил, как подвижные клетки окружают и поглощают чужеродные тела, подобно тому, как это происходит при воспалительной реакции у людей. Если чужеродное тело было достаточно мало, блуждающие клетки, которые он назвал фагоцитами, могли полностью поглотить пришельца. Тогда считалось, что процесс поглощения служит для распространения чужеродного вещества по всему телу через кровеносную систему. Мечников придерживался иного объяснения, т. к. смотрел на происходящее глазами эмбриолога. У личинок морских звезд подвижные фагоциты не только окружают и поглощают вторгшийся объект, но также резорбируют и уничтожают другие ткани, в которых организм более не нуждается.
Лейкоциты человека и подвижные фагоциты морской звезды эмбриологически гомологичны, т. к. происходят из мезодермы. Отсюда Мечников сделал вывод, что лейкоциты, подобно фагоцитам, в действительности выполняют защитную или санитарную функцию. Однако идеи Мечников в течение ряда лет не воспринимались научной общественностью.
В 1886 году Мечников вернулся в Одессу, чтобы возглавить вновь организованный Бактериологический институт, где он изучал действие фагоцитов собаки, кролика и обезьяны на микробы, вызывающие рожистое воспаление и возвратный тиф. Его сотрудники работали также над вакцинами против холеры кур и сибирской язвы овец. Преследуемый жаждущими сенсаций газетчиками и местными врачами, упрекавшими Мечникова в отсутствии у него медицинского образования, он вторично покидает Россию в 1887 году.
Встреча с Луи Пастером в Париже привела к тому, что великий французский ученый предложил Мечникову заведовать новой лабораторией в Пастеровском институте. Мечников работал там в течение следующих 28 лет, продолжая исследования фагоцитов.
Драматические картины сражений фагоцитов, которые рисовал Мечников в своих научных отчетах, были встречены в штыки приверженцами гуморальной теории иммунитета, считавшими, что центральную роль в уничтожении "пришельцев" играют определенные вещества крови, а не содержащиеся в крови лейкоциты.
Совместно с Паулем Эрлихом Мечников был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине 1908 года "за труды по иммунитету".
В 1909 году ученый вернулся на родину, где продолжал исследование кишечных микробов и брюшного тифа.
Умер Мечников в Париже 15 июля 1916 года в возрасте семидесяти одного года после нескольких инфарктов миокарда.