Научные труды Мечникова относятся к ряду областей биологии и медицины. В 1866–1886 Мечников разрабатывал вопросы сравнительной и эволюционной эмбриологии. Предложил оригинальную теорию происхождения многоклеточных животных. Обнаружив в 1882 явления фагоцитоза, разработал на основе его изучения сравнительную патологию воспаления (1892), а в дальнейшем – фагоцитарную теорию иммунитета («Невосприимчивость в инфекционных болезнях» – 1901; Нобелевская премия – 1908, совместно с П. Эрлихом). Многочисленные работы Мечникова по бактериологии посвящены вопросам эпидемиологии холеры, брюшного тифа, туберкулёза и др. инфекционных заболеваний. Значительное место в трудах Мечникова занимали вопросы старения. Он считал, что старость и смерть у человека наступают преждевременно, в результате самоотравления организма микробными и иными ядами. Наибольшее значение Мечников придавал в этом отношении кишечной флоре. На основе этих представлений Мечников предложил ряд профилактических и гигиенических средств борьбы с самоотравлением организма (стерилизация пищи, ограничение потребления мяса, и др.).