В 1864 году он уехал за границу и сначала работал на острове Гельголанд в Северном море, где установил новую группу червей – гастротрих, родственных нематодам и коловраткам. Осенью того же года И. Мечников перебрался в Гисенский университет, в лабораторию немецкого зоолога Рудольфа Лейкарта, пребывание в которой стало возможным благодаря государственной стипендии, полученной при содействии Николая Ивановича Пирогова. Здесь Мечников открыл сложный цикл развития (чередование поколений) у паразитических нематод.
В 1865 году Илья Ильич Мечников переехал для продолжения исследований в Неаполь, где познакомился с российским биологом Александром Онуфриевичем Ковалевским. Знакомство, переросшее в многолетнюю дружбу, определило направление научной деятельности Мечникова. Здесь, на берегу Неаполитанского залива, он и Ковалевский начали изучать эмбриональное развитие морских беспозвоночных. Эти исследования, подчиненные главной идее – доказательству единства происхождения всех групп животных, – положили начало эволюционной эмбриологии.
Возвращаясь в Россию в 1867 году, И. Мечников имел значительные успехи. Изучив развитие головоногих моллюсков, он сделал принципиальное обобщение: в эмбриональном развитии беспозвоночных формируются те же зародышевые листки, что и у позвоночных животных. Это положение легло в основу магистерской диссертации, которую Мечников защитил в Петербургском университете в 1867 году.
Изучая ресничных червей – планарий, Илья Ильич впервые обнаружил в 1865 году феномен внутриклеточного пищеварения. Вместе с Ковалевским он в 1867 получил премию имени Карла Бэра, присуждаемую Академией наук за работы по эмбрилогии. Тогда же он был избран доцентом Новороссийского университета, а в 1868 стал приват-доцентом Петербургского университета и в этом же году защитил докторскую диссертацию.
В 1868—1870 годах, с краткими перерывами, Илья Мечников продолжил за границей исследования по эмбриологии различных групп беспозвоночных.
С 1870 по 1882 год Илья Ильич Мечников – ординарный профессор кафедры зоологии и сравнительной анатомии Новороссийского университета в Одессе. Это был сложный период в жизни ученого.
Не сложились отношения с коллегами и университетским начальством, не случилось взаимопонимания с радикально настроенным студенчеством. Все это привело к тому, что в 1882 году И. И. Мечников покинул университет.
Несмотря на неблагоприятные обстоятельства, эти годы не были бесплодными для ученого. Многолетнее изучение развития губок, иглокожих и медуз привело к формированию концепции происхождения многоклеточных животных (Фагоцителлы теория). По Мечникову, их предком была не двуслойная полая гастрея немецкого биолога-эволюциониста Эрнста Геккеля (1873) (Гастреи теория), а архаический, представляющий компактную массу клеток организм, названный Мечниковым паренхимеллой. Позднее, в 1886 году Мечников переименовал паренхимеллу в фагоцителлу. Последнее название отражало и способ питания этого гипотетического организма.
