Илья Ильич Мечников родился 3 мая 1845 года в деревне Ивановке, расположенной на Украине, неподалеку от Харькова. Родители И. И. Мечникова – гвардейский офицер, помещик Илья Иванович Мечников и Эмилия Львовна Мечникова (в девичестве Невахович).
По отцовской линии Илья Ильич Мечников происходил из старинного молдавского боярского рода. Мать Ильи Ильича Мечникова – Эмилия Львовна Невахович – дочь известного еврейского публициста и просветителя Лейба Нойеховича (Льва Николаевича) Неваховича, считающегося основателем так называемой русско-еврейской литературы. Братья Эмилии Невахович: Михаил Львович Невахович – карикатурист, издатель первого в России юмористического сборника «Ералаш»; Александр Львович Невахович – драматург, заведующий репертуарной частью Императорских театров.
Старший брат И. И. Мечникова – Лев Ильич Мечников – швейцарский географ и социолог, анархист, участник национально-освободительного движения в Италии (рисорджименто).
Другой брат И. И. Мечникова – Иван Ильич Мечников, тульский губернский прокурор, стал прототипом героя известной повести Л. Н. Толстого «Смерть Ивана Ильича» (1886).
Детство Ильи прошло в имении отца Панасовке (ныне с. Мечниково), где у него пробудились любовь к природе и интерес к естественным наукам. Этому помогло влияние студента-медика, домашнего учителя старшего брата Льва.
Мать Ильи всемерно способствовала тому, чтобы Илья – последний из пяти ее детей и четвертый по счету сын – выбрал карьеру ученого.
В 1856 году Илья Мечников поступил сразу во 2-й класс харьковской гимназии, которую окончил с золотой медалью в 1862 году. Еще гимназистом Мечников посещал лекции по сравнительной анатомии и физиологии в Харьковском университете, занимался микроскопированием, читал естественнонаучную литературу, а также модных в то время Людвига Бюхнера, Якоба Молешотта, Людвига Фейербаха.
По окончании гимназии Мечников отправился учиться в Германию. Но его приняли холодно русские студенты и не понравились квартирные хозяева. Илья сразу же вернулся в Россию и поступил на естественное отделение физико-математического факультета Харьковского университета. Из поездки Мечников привез «Происхождение видов» Чарлза Дарвина – книгу, оказавшую большое влияние на формирование его эволюционно-материалистических взглядов.
Четырехлетний университетский курс Илья Мечников прошел за два года. К этому времени 19-летний кандидат наук под влиянием Дарвина определил своей научной целью поиски промежуточных форм между различными группами беспозвоночных.
