Окончил Харьковский университет (1864), специализировался в Германии у Р. Лейкарта и К. Зибольда, изучал эмбриологию беспозвоночных животных в Италии.
Выйдя в отставку в знак протеста против реакционной политики в области просвещения, осуществляемой царским правительством и правой профессурой, организовал в Одессе частную лабораторию, затем (1886, совместно сН. Ф. Гамалеей) первую русскую бактериологическую станцию для борьбы с инфекционными заболеваниями.
В 1887 покинул Россию и переехал в Париж, где ему была предоставлена лаборатория в созданном Луи Пастером институте. С 1905 — заместитель директора этого института. Проживая до конца жизни в Париже, Мечников не порывал связи с Россией; систематически переписывался с К. А. Тимирязевым, И. М. Сеченовым, И. П. Павловым, Н. А. Умовым,Д. И. Менделеевым и др.
Умер в Париже 15 июля 1916 года в возрасте 71 года после нескольких инфарктов миокарда. Илья Мечников завещал своё тело на медицинские исследования с последующей кремацией и захоронением на территории Пастеровского института, что и было выполнено. Из Иллюстрированного журнала «Искры Воскресенье» от 10 июля 1916 года:
Научная деятельностьНаучные труды Мечникова относятся к ряду областей биологии и медицины. В 1866—1886 Мечников разрабатывал вопросы сравнительной и эволюционной эмбриологии, будучи (вместе с Александром Ковалевским) одним из основоположников этого направления. Предложил оригинальную теорию происхождения многоклеточных животных (см. Фагоцителлы теория).
Абсолютная истина по сути не существует. Все то, что мы пытаемся представить, как истину является понятием абстрактным.