Мечников исследовал закономерности зародышевого развития – развития зародышевых листков, образование кишечника и полостей тела – у насекомых, ракообразных, головоногих моллюсков, иглокожих, паукообразных и других беспозвоночных животных.
Эти работы обоих ученых окончательно доказали единство и общность всего животного мира и дали образцы применения эволюционного учения в области эмбриологии. Именно эти исследования открыли путь для филогенетических построений на основе принципа параллелизма между происхождением и родством животных форм и их зародышевым развитием.
Нередко заслугу создания специального, филогенетического направления в дарвинизме целиком приписывают Эрнсту Геккелю. Опираясь на идеи, впервые высказанные Ч. Дарвином и Ф. Мюллером, Геккель в 1866–1872 годах сформулировал свой «основной биогенетический закон». Исходя из этого закона и своей же «теории гастреи», немецкий ученый разработал целую систему гипотетических построений и родословных «древ». В действительности он использовал при своих построениях открытия других ученых, и в первую очередь А. О. Ковалевского и И. И. Мечникова. Геккель стал «крестным отцом» этих открытий, дав различные названия обнаруженным стадиям развития животных и их гипотетическим предковым формам (бластула, гаструла, бластея, гастрея и т. д.).
Эти поспешные построения Э. Геккеля вызвали у Мечникова большое недоверие, окончательно укрепившееся после проведенных им блестящих исследований эмбрионального развития губок и кишечнополостных. Сам же он уверенно шел по выбранному пути. В 1867 году – в 22 года, Мечников – магистр зоологии, а в 1868 году, когда его товарищи только окончили университет, он уже доктор зоологии. Обе диссертации были защищены им в Петербургском университете.
В магистерской диссертации Мечников, опираясь на проведенные в Средиземном море наблюдения, проследил развитие головоногого моллюска Sepiola. В докторской диссертации он тщательно исследовал историю развития ракообразных из рода Nebalia. В обеих работах автор стремился проследить общие закономерности формирования зародышевых листков у разных типов беспозвоночных и доказать их сходство с развитием зародышевых листков позвоночных.
Уже после защиты магистерской диссертации, в 1867 году, Мечников вместе с Ковалевским за работы в области эмбриологии беспозвоночных был удостоен премии имени классика русской и мировой эмбриологии, петербургского академика Карла Бэра. В том же году Илья Ильич был избран доцентом Новороссийского университета в Одессе, а через год доцентом Петербургского университета. В 1870 году, в 25-летнем возрасте, Мечников вторично получил премию имени Бэра за выдающиеся исследования в области сравнительной эмбриологии.
Еще в первую поездку в Италию в 1865 году Мечников познакомился с великим физиологом Иваном Михайловичем Сеченовым, жившим в то время в Сорренто. «Мы вышли, – вспоминал Илья Ильич, – совершенно очарованные новым знакомством, сразу признав в Сеченове "учителя"».
А Сеченов так писал о первом знакомстве с молодыми учеными: «Помню, как теперь, из жизни в Сорренто апельсинный сад вокруг домика (villa Grehan), в котором мы жили, и его террасу, на которой в один прекрасный день появились два очень молодых человека знакомиться с нами. Это были – будущая гордость России Илья Ильич Мечников и Александр Онуфриевич Ковалевский».
В дальнейшем знакомство Мечникова с Сеченовым превратилось в творческую дружбу, хотя Мечников и был моложе Сеченова на 16 лет.
В 1867 году Илья Мечников получил докторскую степень Петербургского университета, где затем преподавал зоологию и сравнительную анатомию. В Петербурге, вскоре после приезда, Илья Ильич познакомился с профессором ботаники Андреем Николаевичем Бекетовым и был принят в его семье. Открытый и общительный Мечников легко сходился с людьми.
Семья Андрея Николаевича Бекетова была поистине чудесной! Три девочки, дочери Бекетова, задавали тон всей жизни домочадцев. Они любили слушать сказки, которые Илья Ильич тут же для них придумывал. Племянница Бекетова – скромная, тихая Людмила Васильевна, выступала в роли утешительницы и примирительницы в детских играх. Как хорошо было Мечникову в кругу этой семьи!
Сам же он вел жизнь куда менее приятную. Лаборатории для работы не было, Илья Ильич ютился в неотапливаемом музее, между шкафами с зоологическими коллекциями, занимался, не снимая пальто. Жил Илья Ильич в тесной квартире на Васильевском острове. Экономия денег для научных целей вынуждала его вести самому хозяйство. Все шло из рук вон плохо. Прибирать в комнате и готовить обед просто не было времени. Илья Ильич ходил в какую-то третьеразрядную столовую. Денег не хватало для удовлетворения самых насущных нужд.
Мечников стал подрабатывать – читать лекции в Горном институте. В легком пальто, без калош шел по холоду на лекции. Студенты Горного института мало интересовались зоологией, Илья Ильич понимал, что работает ради денег.