Уехав осенью 1882 года в Италию, Мечников начал изучать личинки морских звезд. Особенное внимание он уделял подвижным клеткам – амебоцитам, наделенным способностью к перевариванию заглатываемых ими органических частиц. Постепенно он пришел к пониманию того, что клетки эти играют некую очень важную защитную роль, поскольку могут обезвреживать внедряющиеся в организм инородные тела.
Свои выводы Мечников подтвердил блестящим по простоте и убедительности экспериментом. Искусственно введенные в тело личинки инородные тела действительно захватывались и обволакивались собиравшимися вокруг них амебоцитами и в конечном счете оказывались либо переваренными ими, либо полностью изолированными. Открытые им подвижные клетки Мечников назвал фагоцитами – пожирателями. Термин, предложенный Мечниковым, сразу закрепился в научной литературе.
В последующей серии работ Мечников убедительно показал, что явления, аналогичные тем, которые он наблюдал в экспериментах с личинками морских звезд, типичны для всех типов животных, обладающими тканями, развивающимися из промежуточного зародышевого листка – мезодермы. У сложно организованных животных к таким тканям, прежде всего, принадлежит кровь и так называемая соединительная ткань, в состав которых входят клеточные элементы, способные переваривать захваченные органические частицы. У высших животных типичными фагоцитами являются белые клетки крови – лейкоциты. Именно с их помощью организм изолирует и обезвреживает внедряющиеся в него чужеродные тела, в том числе возбудителей инфекционных заболеваний – патогенные микробы.
Итоги своих наблюдений Мечников доложил в 1883 году в Одессе на съезде естествоиспытателей. В целом доклад «О целебных силах организма» был принят с интересом, но фагоцитарная теория далеко не сразу была принята учеными. Особенно враждебное отношение она встретила со стороны известного немецкого микробиолога Р. Коха. Почти четверть века Мечников вел упорную борьбу за утверждение выдвинутой теории. В конце концов, борьба увенчалась полной победой: в 1908 году за исследования по фагоцитозу Мечникову была присуждена Нобелевская премия.
В 1886 году Мечников, совместно со своими учениками Н. Ф. Гамалея и Я. Ю. Бардахом, организовал в Одессе первую в России бактериологическую станцию для прививок против бешенства. Однако, как это ни странно, существование станции вызвало многочисленные нападки чиновников и реакционных врачей. Устав от бесконечной и бессмысленной борьбы с чиновниками, Мечников в 1888 году уехал в Париж. Придя к знаменитому французскому микробиологу Л. Пастеру, он сказал: «Дайте мне всего лишь рабочую комнату в вашем институте. Этого мне будет достаточно. Я готов работать у вас как частное лицо».
К тому времени Пастер прекрасно знал работы Мечникова.
Ни минуты не колеблясь, он пригласил русского ученого в штат.
В институте, который правительство Франции построило специально для исследований своего великого ученого, Мечников организовал собственную лабораторию и проработал в ней до конца жизни.
В 1892 году, в связи с эпидемией холеры во Франции, Мечников начал изучение патогенных свойств холерных микробов, чтобы выработать наиболее эффективные методы борьбы с ними. Чтобы точнее выяснить этиологию и патогенез холеры Мечников не раз прибегал даже к самозаражению. В результате он доказал, что наблюдающаяся иногда невосприимчивость организма к инфекционным заболеваниям обусловлена совокупностью факторов, среди которых наибольшую роль играет фагоцитоз.
Итоги двадцати лет работ по проблеме иммунитета Мечников изложил в 1900 году в знаменитом труде «Невосприимчивость в инфекционных болезнях».
В 1911 году Мечников организовал и возглавил научную экспедицию по изучению туберкулеза среди населения прикаспийских степей.
Много сил и времени отдал Мечников разработке проблем старения и смерти.
«…Сознание неизбежности смерти, которого лишены животные, – писал он, – и которое так часто делает людей несчастными, есть зло поправимое и именно благодаря науке. Более чем вероятно, что она научит жить сообразно принципам ортобиоза и доведет жизнь до момента наступления инстинкта естественной смерти, когда не будет страха перед неизбежностью конца.
Наука может и должна в будущем даровать людям счастливое существование.
Когда наука обеспечит человечеству нормальный цикл жизни, когда люди забудут большинство болезней, подобно тому, как они могут не тревожиться теперь из-за чумы, холеры, дифтерита, бешенства и других бичей, до последнего времени угрожавших им, тогда на первый план еще более, чем теперь, выступит искание удовлетворения высших потребностей душевной жизни. Но наряду с исканием знания ради высшего наслаждения, т. е. наряду с «наукой для науки», человечество еще более теперешнего будет искать счастья в наслаждении всяческой красотой».