Народився 15 травня 1845 року в маєтку Панасівка Куп'янського повіту Харківської губернії. Туди батько Мечникова, гвардійський офіцер, перебрався з Петербурга.
Там під впливом відомого зоолога А. О. Ковалевського Мечников став переконаним дарвіністом. Прагнучи довести на основі теорії еволюції спорідненість тварин усіх видів, він спільно з Ковалевським розробив принципи нової науки - порівняльної ембріології. Відкриття Мечникова і Ковалевського були відзначені науковою громадськістю. У 1867 р вони отримали премію Карла Бера першого ступеня, присуджується за видатні роботи по ембріології.
У 22 роки Мечников захистив дисертацію і став магістром зоології Новоросійського університету в Одесі. Однак незабаром, чи не порозумівшись з начальством, поїхав до Петербурга. Але і тут його важкий характер дав себе знати - забалотований у військово-медичну академію, Ілля Ілліч повернувся в Одесу, встигнувши в столиці захистити докторську дисертацію.
У 24 роки він прийняв кафедру зоології Новоросійського університету, яку очолював до 1882 р Серйозний конфлікт з професорсько-викладацьким складом (на цей раз з політичних мотивів) змусив Мечникова піти у відставку. Він став ініціатором створення першої в Росії бактеріологічної лабораторії, а потім (1886 г.) бактеріологічної станції - така була лишьв Парижі у Л. Пастера.
Мечников був почесним членом Лондонського королівського товариства, Паризької медичної академії, Російської академії наук і Петербурзької військово-медичної академії.
У 1908 році він став лауреатом Нобелівської премії за працю «Імунітет при заразних хворобах». Серед його наукових досягнень - створення теорії фагоцитозу (клітинний імунітет), відкриття (спільно з Ковалевським) загальних для всіх тварин ембріональних стадій і зародкових листків, вдосконалення методів боротьби з небезпечними інфекціями, основи геронтології (наука про старість).