Первые работы Мечникова посвящены зоологии беспозвоночных (губок и кишечнополостных), эволюционной эмбриологии. Ученый разработал теорию происхождения многоклеточных организмов (теорию фагоцителлы), обнаружил явление фагоцитоза активного поглощения частиц и живых клеток одноклеточными организмами или особыми клетками фагоцитами (такими клетками являются, например, некоторые типы лейкоцитов). На основе теории фагоцитоза разработал теорию фагоцитарного иммунитета и сравнительной патологии воспаления.
Мечникову принадлежат многочисленные работы по бактериологии. В опытах, поставленных на самом себе, доказал роль холерного вибриона как возбудителя азиатской холеры.
Среди наиболее известных работ Мечникова Изучение внутриклеточного пищеварения у беспозвоночных животных (Untersuchungen über die intracelluläre Verdauung bei wirbellosen Thieren, 1883); Сравнительная патология воспаления (Leçons sur la pathologie comparée de l"inflammation, 1892); Невосприимчивость к инфекционным болезням (L"Immunité dans les maladies infectieuses, 1901); Этюды о природе человека (Études sur na nature humaine, 1903).
Умер Мечников в Париже 2 (15) июля 1916.
ИЛЬЯ ИЛЬИЧ МЕЧНИКОВМечников И.И. Этюды о природе человека. М., 1925
Мечникова О.Н. Жизнь И.И.Мечникова. М. Л., 1926
Мечников И.И. Академическое собрание сочинений, тт. 116. М., 19501964
Мечников И.И. Этюды оптимизма. М., 1982





