Илья Мечников родился 15 мая 1845 года в деревне Ивановка Харьковской области. Род дворян Мечниковых связан своим происхождением с семейством молдавских бояр.Отец Мечникова - Илья Иванович, столичный офицер эпикурейского склада характера, был человеком образованным. Мать, Эмилия Львовна, урожденная Невахович, происходила из купеческого сословия.
Детство Ильи прошло в имении отца Панасовке, где у него пробудились любовь к природе и интерес к естественным наукам, который формировался под влиянием студента-медика, домашнего учителя старшего брата Льва.
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 обескураженный холодным приемом со стороны русских студентов и квартирных хозяев, 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.
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.
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 году стал приват-доцентом Петербургского университета, позже защитил докторскую диссертацию.
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. В 1873 оттуберкулеза умерла первая жена Мечникова. Отличавшийся болезненной впечатлительностью, Мечников настолько тяжело переживал это событие, что сделал попытку. Большого нервного напряжения стоили Мечникову взаимоотношения с коллегами и университетским начальством, а также с радикально настроенным студенчеством. Противостояние привело к тому, что в 1882 Мечников Илья Ильич покинул университет.
В связи с массовым размножением насекомых-вредителей вОдесской и Киевской губерниях, Мечников впервые в России применил в 1879 году биологический метод защиты растений - заражение патогенным грибом хлебного жука.
Однажды, когда Мечников наблюдал под микроскопом за подвижными клетками, личинки морской звезды, ему пришла в голову мысль, что эти клетки, захватывающие и переваривающие органические частицы, не только участвуют в пищеварении, но и выполняют в организме защитную функцию. Это предположение Мечников подтвердил простым и убедительным экспериментом. Введя в тело прозрачной личинки шип розы, он через некоторое время увидел, что амебоциты скопились вокруг занозы. Клетки, которые либо поглощали, либо обволакивали инородные тела, попавшие в организм, Мечников назвал фагоцитами, а само явление - фагоцитозом.
В 1886 году Илья Мечников возвратился в Одессу, где возглавил созданную им совместно с Гамалеей первую в России и вторую в мире бактериологическую станцию, которая должна была заниматься изготовлением вакцин и прививок против бешенства. К работе Мечников привлек группу молодых энтузиастов - Даниила Кирилловича Заболотного, Льва Александровича Тарасевича, Гамалею, ставших впоследствии известными микробиологами. Однако из-за препятствий, чинившихся ему официальными властями, Мечников отказался от заведования станцией. У него окончательно созрело решение покинуть Россию и искать пристанища за границей. В 1887 году Мечников выехал в Германию, а осенью 1888 года по приглашению французского ученого Луи Пастера переехал в Париж и организовал в его институте лабораторию.
Илья Мечников создал русскую школу микробиологов и иммунологов. Кроме научных трудов, он оставил обширное литературное наследство - научно-популярные и научно-философские работы, вспоминания, статьи, переводы.
Переживания, связанные с началом Первой мировой войны, тяжело повлияли на Мечникова, ухудшили его слабое здоровье. Обострившаяся болезнь сердца после нескольких инфарктов миокарда привела ученого к смерти.
Скончался в Париже 15 июля 1916 года. Урна с прахом, согласно его воле, хранится в библиотеке Пастеровского института.
В честь великого ученного названы: Северо-Западный государственный медицинский университет в Санкт-Петербурге, Одесский национальный университет,Московский научно-исследовательский институт вакцин и сывороток,Областная клиническая больница в Днепропетровске.
В СССР имя было присвоено Всесоюзному научному обществу микробиологов и эпидемиологов.
Имя ученного носят улицы в Днепропетровске, Самаре, Севастополе, Нижнем Новгороде, Муроме, Нальчике, Ростове-на-Дону, Красноярске, Элисте, Борисоглебске, Клину, Киеве, Тирасполе, Томске, Уфе, Гомеле, Новокузнецке, Одессе и Волгограде.
В 1970 году Международный астрономический союз присвоил имя Мечникова кратеру на обратной стороне Луны.