Самое важное открытии в своей жизни Мечников совершил в 1881 г., когда установил явление фагоцитоза (способность подвижных клеток поглощать инородные частицы, в том числе и микроорганизмы). На основании чего впоследствии он вывел теорию иммунитета: самостоятельной невосприимчивости организма к различного рода инфекциям.

В 1886 г., совместно с ученым В. Ф. Гамалеей, Мечников открыл первую в России бактериологическую станцию. Он успешно занимался исследованием таких инфекционных заболеваний, как сибирская язва, сифилис, столбняк, азиатская холера и др. Мечников первым сделал вывод, что одним из факторов, обусловливающих развитие туберкулеза, является социальный фактор (условия проживания, питания и т. д.).

Классической научной работой принято считать труд Мечникова, посвященный проблеме сифилиса, над которым он работал вместе с известным французским бактериологом Эмилем Ру.

В конце своей жизни Мечников упорно работал над проблемой старения и смерти. Он справедливо полагал, что антагонистами гнилостных микробов кишечника, которые ускоряют процесс старения организма, служат молочно-кислые бактерии, содержащиеся в кисломолочных продуктах.

В 1908 г. за трактат по проблеме старения, написанный совместно с П. Эрлихом, Мечников был удостоен Нобелевской премии.