Илья Ильич Мечников родился 15 мая 1845 года в живописной деревне Ивановка, расположенной неподалеку от Харькова. Его отец, Илья Иванович, офицер войск царской охраны в Санкт-Петербурге, еще до переезда в украинское поместье проиграл в карты большую часть приданого своей жены и имущества семьи. Мать Мечникова, в девичестве Эмилия Невахович, была дочерью Льва Неваховича, богатого еврейского писателя. Она всемерно способствовала тому, чтобы Илья, младший из пяти детей Мечниковых, избрал карьеру ученого.

Любознательный мальчик, с ярко выраженным интересом к истории естествознания, Илья блестяще учился в харьковском лицее. Статья с критикой учебника по геологии, которую он написал в 16 лет, была опубликована в одном из московских журналов. В 1862 году, завершив среднее образование с золотой медалью, Илья Мечников решил изучать структуру клетки в Вюрцбургском университете. Поддавшись настроению, он отправился в Германию, даже не узнав, что занятия начнутся лишь через шесть недель. Оказавшись один в чужом городе, без знания немецкого языка, юноша решил вернуться и продолжить образование на родине. Из Германии он привез русский перевод книги Чарльза Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора», опубликованный тремя годами ранее. Прочитав книгу, юноша стал убежденным сторонником дарвиновской теории эволюции.

В Харькове И. Мечников за два года прошел четырехгодичный университетский курс естественного отделения физико-математического факультета. Уже знакомый с биологическими особенностями строения представителей низших отрядов животного мира (червей, губок и других простых беспозвоночных), Мечников пришел к выводу, что, согласно теории Дарвина, в строении более высокоорганизованных организмов должны обнаруживаться черты сходства с низкоорганизованными, от которых они произошли. В течение трех следующих лет он углубился в изучение эмбриологии беспозвоночных, происходивших из различных регионов Европы. В 1864 году Илья Ильич работал на острове Гельголанд в Северном море, затем — в лаборатории Рудольфа Лейкарта в Гисене (возле Франкфурта-на-Майне), а в 1865 году переехал в Неаполь, где сотрудничал с молодым русским зоологом Александром Ковалевским. Их совместная работа, в которой они показали, что зародышевые листки многоклеточных животных являются гомологичными (демонстрирующими структурное соответствие), как и должно быть у форм, связанных общим происхождением, принесла им премию Карла Эрнста фон Баэра. Илье Мечникову к этому времени исполнилось всего 22 года. Тогда же, из-за чрезмерного перенапряжения, у него стали болеть глаза. Это недомогание беспокоило его пятнадцать последующих лет, не давая возможности самостоятельно работать с микроскопом.

В 1867 году Илья Мечников вернулся в Россию. В том же году он защитил диссертацию «История развития Sepiola» (на степень магистра зоологии), посвященную эмбриональному развитию рыб и ракообразных. После защиты Мечникова избрали доцентом кафедры зоологии Новороссийского университета в Одессе. Год спустя, в 1868-м, Илья Ильич защитил диссертацию «История развития Nebalia» (на степень доктора зоологии) и перешел на должность доцента Петербургского университета.

Личная жизнь Ильи Ильича, впрочем, была довольно драматичной, даже трагичной. В 1869 году он женился на Людмиле Федорович, уже болевшей туберкулезом. Детей у них не было. Когда (спустя четыре года) жена умерла, Мечников пытался покончить жизнь самоубийством, выпив морфий, но его удалось спасти.

В 1875 году, работая преподавателем Одесского университета, Илья Ильич познакомился с 15-летней студенткой Ольгой Белокопытовой, и женился на ней. Со второй женой у Мечникова тоже не было детей, однако после смерти родителей Ольги, друг за другом ушедших из жизни в течение года, супруги Мечниковы стали опекунами двух ее братьев и трех сестер. И вот — Ольга умирает от брюшного тифа. Мечников снова пытается свести счеты с жизнью, на этот раз посредством инъекции возбудителей возвратного тифа. Тяжело переболев, он, тем не менее, выздоровел. Причем болезнь поубавила в нем долю столь выраженного пессимизма и вызвала… улучшение зрения.

В 1870–1882 годах И. Мечников состоял профессором кафедры зоологии и сравнительной анатомии Новороссийского университета. Несмотря на талантливое преподавание, прекрасную постановку занятий со студентами и опубликование ряда крупных исследований, Мечников вынужден был оставить университет из-за столкновений с реакционными деятелями высшего образования в Одессе. Илья Ильич начал сотрудничать с Херсонским и Одесским земскими управлениями, активно участвовал в разработке мер борьбы с вредителями сельхозкультур и одновременно возглавлял первую русскую пастеровскую бактериологическую станцию, созданную для борьбы с бешенством и другими инфекционными болезнями человека и животных. Но реакционная верхушка и черносотенная печать всячески тормозили работу Мечникова. Именно это обусловило его отказ от руководства станцией и принятие приглашения Луи Пастера возглавить лабораторию в создаваемом им в Париже институте. Вся дальнейшая деятельность И. Мечникова связана с Пастеровским институтом, где он создал школу русских и иностранных микробиологов, паразитологов и иммунологов. Вместе с тем Илья Ильич никогда не порывал с родиной, оставался русским подданным и неоднократно (1894, 1897, 1902, 1909 и 1911 годы) приезжал в Россию. В его парижской лаборатории постоянно или временно (в качестве стажеров) работали многие русские врачи, ставшие его учениками и последователями. Но когда в 1913 году обсуждался вопрос о приглашении И. Мечникова на пост директора Института экспериментальной медицины в Петербурге, он категорически отказался, мотивируя свое несогласие реакционной политикой в области просвещения, которую проводило царское правительство.

В 1882 году Илья Ильич некоторое время работал в Мессине, в Италии. «В Мессине, — вспоминал он позже, — произошел перелом в моей научной жизни. До этого зоолог, я сразу сделался патологом». Открытие, круто изменившее ход его жизни, было связано с наблюдениями за личинками морской звезды. Изучая эти прозрачные организмы, 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 (их он назвал фагоцитами от греческого «фагос» — «пожиратель») могли полностью поглотить пришельца. Свою гипотезу о защитной роли фагоцитов Мечников изложил в докладе на VII съезде русских естествоиспытателей и врачей, состоявшемся в 1883 году в Одессе.

И. Мечников был не первым ученым, наблюдавшим, что лейкоциты у животных пожирают вторгшиеся организмы, включая бактерии. В то же время считалось, что процесс поглощения служит главным образом для распространения чужеродного вещества по всему телу через кровеносную систему. Илья Ильич придерживался иного объяснения, так как смотрел на происходящее глазами эмбриолога. У личинок морских звезд подвижные фагоциты не только окружают и поглощают вторгшийся объект, но также ресорбируют и уничтожают другие ткани, в которых организм уже не нуждается. Лейкоциты человека и подвижные фагоциты морской звезды эмбриологически гомологичны, поскольку происходят из мезодермы. На этом основании Мечников сделал вывод, что лейкоциты, подобно фагоцитам, в действительности выполняют защитную или санитарную функцию. Далее он продемонстрировал деятельность фагоцитов у прозрачных водяных блох. «Согласно этой гипотезе, — писал впоследствии Илья Ильич, — болезнь должна рассматриваться как борьба между патогенными агентами — поступившими извне микробами — и фагоцитами собственно организма. Излечение будет означать победу фагоцитов, а воспалительная реакция будет признаком их действия, достаточного для предотвращения атаки микробов».

Результаты изучения роли фагоцитоза в иммунитете Мечников изложил в книге «Невосприимчивость в инфекционных болезнях» (1901). Теория фагоцитоза вызвала обширную полемику, и Мечникову пришлось защищать ее в течение долгого времени. Однако основные факты, положенные в основу этой теории, получили подтверждение и признание. После блестящих выступлений И. Мечникова на конгрессах в Будапеште (1894) и Париже (1900) фагоцитарная теория была признана окончательно.

В конце XIX века открытия Пауля Эрлиха и замечательного ученика Мечникова Жюля Борде положили начало учению об антителах и обосновали чисто химическое понимание процессов иммунитета. В связи с этим И. Мечников выдвинул концепцию, согласно которой химическая и фагоцитарная теории иммунитета не являются взаимоисключающими, а наоборот, «могут дополнять друг друга». Признанием заслуг творцов учения об иммунитете явилось присуждение в 1908 году И. Мечникову и П. Эрлиху (совместно) Нобелевской премии. Как отметил в приветственной речи К. Мернер из Каролинского института: «… после открытий Эдварда Дженнера, Луи Пастера и Роберта Коха оставался невыясненным основной вопрос иммунологии: каким образом организму удается победить болезнетворных микробов, которые, попав в него, смогли закрепиться и начали развиваться? Пытаясь найти ответ на этот вопрос, — продолжал Мернер, — Мечников положил начало современным исследованиям по иммунологии и оказал глубокое влияние на весь ход ее развития».

Следующий этап научной деятельности И. Мечникова связан с разработкой проблем старости и смерти. Исходя из своих многочисленных наблюдений за атрофическими процессами, Мечников поставил перед собой задачу исследовать роль фагоцитов в явлениях старческой атрофии. В 1903 году Илья Ильич опубликовал книгу, посвященную «ортобиозу» — или умению «жить правильно», которую назвал «Этюды о природе человека». В ней обсуждалось значение пищи, также обосновывалась необходимость употребления больших количеств кисломолочных продуктов, или простокваши, заквашенной с помощью болгарской палочки. Имя Мечникова связано с популярным коммерческим способом изготовления кефира, хотя ученый не получал за это никакого вознаграждения.

Проблему старости и смерти И. Мечников рассматривал как в эволюционном плане, так и с философско-этических позиций. Он искал в органическом мире явления «естественной смерти» и призывал добиваться «полного и счастливого цикла жизни, заканчивающегося естественной смертью». Эти положения ученого отражены в его «Этюдах оптимизма», изданных в 1907 году. И хотя многое в предположениях и представлениях Мечникова о старости и смерти не подтвердилось дальнейшим развитием науки, тем не менее за ним остается бесспорная заслуга инициатора научного подхода к изучению этих явлений.

Непреходящее научное значение имеют работы И. Мечникова по изучению азиатской холеры, в которых ученый экспериментировал, кроме животных, на себе и своих сотрудниках. Эти исследования помогли установить этиологическое значение вибриона, открытого Кохом. Мечников еще в 1888 году использовал туберкулезную инфекцию как модель, на которой можно было показать действенность фагоцитарного аппарата защиты организма от болезнетворного агента. В 1911-м году Илья Ильич с группой сотрудников предпринял изучение эпидемиологии туберкулеза в калмыцкой степи. Выводы этого исследования имели огромное теоретическое и практическое значение. В частности, было доказано, что человек не обладает врожденным иммунитетом к туберкулезу и что та или иная степень заболеваемости туберкулезом обусловлена фактором социального порядка. Эти выводы не утратили актуальности и в наши дни, когда человечеству все еще угрожают эпидемии, уносящие тысячи жизней.

Илья Ильич Мечников известен также как автор ряда работ по истории науки, носящих характер воспоминаний о хорошо ему знакомых ученых и событиях, участником которых он был. Самым крупным его произведением по истории науки является книга «Основатели современной медицины», вышедшая в 1915 году на русском и французском языках.

Среди многочисленных наград и знаков отличия Мечникова — медаль Копли Лондонского королевского общества, степень почетного доктора Кембриджского университета. Он был избран членом Французской академии медицины и Шведского медицинского общества.

Перенеся несколько инфарктов миокарда, Илья Ильич Мечников ушел из жизни 15 июля 1916 года в Париже, прожив семьдесят один год. В столице Франции он и похоронен.