Илья Ильич все больше и больше тяготел к медицине. Он стал работать над сущностью основного патологического процесса, над сущностью воспаления. Тенденция Мечникова знаменует союз и тесное сотрудничество между биологией и нарождающейся новой медициной.
Илья Ильич Мечников — один из основоположников сравнительной патологии, эволюционной эмбриологии, иммунологии, создатель научной школы, член-корреспондент (1883), почетный член (1902) Петербургской АН. Совместно с Н.Ф. Гамалеей основал (1886) первую в России бактериологическую станцию. Открыл (1883) явление фагоцитоза. Мечников создал теорию происхождения многоклеточных организмов, написал работу по проблеме старения (1898). В труде «Невосприимчивость в инфекционных болезнях» (1901) изложил фагоцитарную теорию иммунитета, указав на значение фагоцитоза при воспалении; у высших животных оно присуще специальным клеткам — лейкоцитам. До работ Мечникова считалось твердо установленным, что лейкоциты пассивны и лишь способствуют развитию патологического процесса. Мечников же наделял их активной и притом защитительной функцией. То есть он переворачивал все представления с головы на ноги.
В 1887 году Илья Ильич едет за границу, где знакомится с Луи Пастером и Робертом Кохом. Спустя год Мечников приехал в Пастеровский институт в Париже и стал работать вместе с Пастером. Сначала он заведует отделением, а с 1903 года становится заместителем директора института Пастера. В этом же году выходит книга Мечникова, посвященная «ортобиозу» — или умению «жить правильно», — «Этюды о природе человека». В ней он говорит о значении пищи и обосновывает необходимость употребления большого количества кисломолочных продуктов. И тогда же Мечников делает доклад об экспериментальном сифилисе.
В 1904 году Мечникова избирают членом Французской академии наук. Вместе с Паулем Эрлихом Мечников удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине «за труды по иммунитету» в 1908 году.
Илья Ильич и после смерти своей хотел послужить науке. В конце ноября 1915 года он простудился, вскоре появилось осложнение на сердце. Он задумался о смерти, заговорил о сердечной наследственности: «Моя мать большую часть жизни страдала сердечными припадками и умерла от них в 65 лет. Отец умер от апоплексического удара на 68-м году. Старшая сестра умерла от отека мозга. Брат Николай (сифилитик) умер на 57-м году от грудной жабы». Илья Мечников болел семь месяцев. Его посещали пять врачей (Видаль, Мартен, Вельон, Салимбени и Дарэ), но поставить Мечникова на ноги они были не в силах. В конце он почувствовал, что с животом что-то неладно (не зная, что у него водянка брюшной полости).
Илья Ильич Мечников просил, чтобы тело его вскрыли с исследовательской целью, а затем сожгли в крематории. 15 июля 1916 года в 4 часа 40 минут он перестал дышать. 18 июля его тело сожгли в крематории кладбища Пер-Лашез в Париже. Урну с прахом поставили в Пастеровском институте. Она и сейчас там — шкатулка из темно-красного мрамора с прожилками.
