Родился 15 мая 1845 г. в деревне Ивановка Купянского уезда Харьковской губернии (ныне село Мечниково, Двуречанский р-н, Харьковская обл., Украина) в семье помещика Ильи Ивановича Мечникова, происходившего из старинного молдавского боярского рода.
В 1862 г. с золотой медалью окончил 2-ю Харьковскую гимназию. Будучи гимназистом, посещал лекции по сравнительной анатомии и физиологии в Харьковском университете.
В 1862-1864 гг. - студент, затем вольнослушатель естественного отделения физико-математического факультета Харьковского университета. Окончил вуз экстерном в возрасте 19 лет, пройдя четырехлетний университетский курс за два года.
После окончания университета стажировался в Германии в лабораториях зоолога и паразитолога Рудольфа Лейкарта, анатома и патолога Фридриха Генле, зоолога Карла Зибольда. Изучал паразитологию червей и эмбриологию насекомых. С 1865 г. в Италии проводил исследования по сравнительной эмбриологии средиземноморских беспозвоночных животных.
В 1866 г. в Императорском Санкт-Петербургском университете (ныне Санкт-Петербургский государственный университет) защитил диссертацию о стадиях развития Sepiola - одного из видов головоногих моллюсков - и получил степень магистра зоологии, в 1868 г. там же - докторскую диссертацию о стадиях развития ракообразных Nebalia.
В 1867-1868 и 1870-1882 гг. преподавал в Императорском Новороссийском университете в Одессе (ныне Одесский национальный университет им. И. И. Мечникова). Был доцентом, с 1870 г. – профессором и заведующим кафедрой зоологии и сравнительной анатомии.
В 1868-1870 гг. - доцент кафедры зоологии Императорского Санкт-Петербургского университета.
В 1883 г. Илья Мечников был избран членом-корреспондентом, в 1902 г. - почетным членом Императорской Санкт-Петербургской академии наук.
С 1883 г. начал заниматься изучением патологии и иммунологии.
В 1886 г. вместе с микробиологом Николаем Гамалеей организовал в Одессе первую российскую бактериологическую станцию по борьбе с инфекционными заболеваниями человека и животных (бешенством и др.). В 1886-1887 гг. Мечников был заведующим Одесской бактериологической станцией (ныне Украинский научно-исследовательский противочумный институт им. И. И. Мечникова).
В 1888 г. переехал в Париж, где по приглашению французского химика и микробиолога Луи Пастера стал заведовать лабораторией в его Институте. С 1905 г. одновременно занимал должность заместителя директора Института Пастера.
Являлся почетным членом Московского университета (1889) и Лондонского Королевского общества (1895), иностранным членом Парижской академии наук (1912).
Илья Мечников заложил основы эволюционной эмбриологии, сравнительной патологии, учения об иммунитете и других разделов биологии и медицины. Создал первую русскую школу иммунологов, микробиологов, патологов. Обнаружил явление фагоцитоза (1882), на основе которого разработал теорию фагоцитарного иммунитета и сравнительной патологии воспаления (1892). Предложенное им "учение о цитоксинах" (1901) предопределило начало исследований, посвященных изучению патогенеза аутоиммунных заболеваний. Мечникову также принадлежат работы по эпидемиологии ряда инфекционных болезней. Он совместно с французским бактериологом Эмилем Ру впервые в ходе эксперимента вызвал сифилис у обезьян (1903) и разработал методы профилактики этого заболевания.
В последние годы жизни Илья Мечников изучал проблемы геронтологии. Ученый считал, что старость и смерть у человека наступают преждевременно, в результате самоотравления организма продуктами жизнедеятельности микробов и иными ядами. Придавая большое значение микробной флоре кишечника, он предложил ряд профилактических и гигиенических средств борьбы с самоотравлением организма, таких как стерилизация пищи, ограничение потребления мяса, употребление молочнокислых продуктов. Мечников первым сформулировал положение о пользе микробного антагонизма для здоровья человека, став родоначальником современной концепции пробиотиков.
Автор трудов "Изучение внутриклеточного пищеварения у беспозвоночных животных" (1883), "Эмбриологические исследования на медузах" (1886), "Лекции о сравнительной патологии воспаления" (1892), "Невосприимчивость в инфекционных болезнях" (1901), книг "Этюды о природе человека" (1903), "Этюды оптимизма" (1907), "Сорок лет искания рационального мировоззрения" (1913) и др.
За работы в области иммунологии (фагоцитарную теорию) Илья Мечников в 1908 г. был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине. Получил ее совместно с немецким врачом и бактериологом Паулем Эрлихом, одним из создателей гуморальной теории иммунитета.
Был награжден золотой медалью Александра II (1881), медалью Г. Копли (1906) Лондонского Королевского общества. Командор французского ордена Почетного легиона (1913).
Лауреат премии им. К. М. Бэра (1867, 1870, 1891) Санкт-Петербургской академии наук.
Илья Мечников скончался 15 июля (2 июля по старому стилю) 1916 г. в Париже на 72-м году жизни после нескольких инфарктов миокарда. По завещанию ученого, его тело было отдано на медицинские исследования с последующей кремацией, урна с прахом хранится в парадном зале библиотеки Института Пастера.
Был дважды женат. Первая жена - Людмила Васильевна Федорович - умерла в 1873 г. от туберкулеза. С 1875 г. состоял в браке с Ольгой Николаевной Белокопытовой.