Он хотел стажироваться за границей. И получил помощь. Вместе с официальным ходатайством хирурга Николая Ивановича Пирогова на стол министра народного просвещения легла неофициальная просьба его предшественника, а ныне – члена государственного совета Евграфа Петровича Ковалевского. Вскоре Илья получил письмо от самого министра Александра Головнина, который извещал о зачислении его профессорским кандидатом на два года, начиная с 1865-го.

За границей, куда он отправился за казённый счёт, он в 1864–1867 гг. работал в Гиссене, Геттингене и Мюнхене. И здесь же Мечников увлёкся эмбриологией, продолжив исследования дерптского учёного Карла Бэра.

Практика не мешала ему путешествовать по Европе. Во время поездки в Неаполь он познакомился с коллегой и будущим соавтором – Александром Онуфриевичем Ковалевским, а в Женеве брат Лев представил Илью Герцену. В Сорренто Мечников и Ковалевский посещают русского учёного Ивана Сеченова и анархиста Михаила Бакунина.

После защиты магистерской диссертации в 1867 г. Мечников был избран доцентом естественного факультета Новороссийского университета в Одессе.

По воспоминаниям профессора Г. Е. Афанасьева, «Мечников был виртуоз, который говорил с такой кристаллической ясностью, что слушателю начинало казаться, что все это и он мог бы вперед сказать и что в этом и сомневаться невозможно». Со студентами он держался запросто, как с равными себе. Юный приват-доцент стал привлекать желающих к научной работе, а так как в университете зоологической лаборатории не существовало, то он приглашал их к себе домой.

В следующем году Мечников перешел в Санкт-Петербургский университет, также приват-доцентом, там защитил диссертацию на степень доктора зоологии и получил звание экстраординарного профессора.

«Мне удалось получить место доцента при кафедре зоологии в Петербургском университете, – вспоминал Мечников, – и я надеялся окончательно устроиться там. К сожалению, условия, с которыми я там встретился, оказались далеко не благоприятными. В те времена при кафедре не было лаборатории, так что работать приходилось в нестерпимо холодном зимой помещении, среди двух шкафов зоологического музея».

«По принципам и из экономии, – пишет его вторая жена Ольга Николаевна, – он хотел обходиться без посторонней помощи, сам готовить и хозяйничать. Однако все шло у него из рук вон плохо. Прежде всего, ему надоело прибирать, и скоро в комнате завелся хаотический беспорядок; потом и готовить было скучно; он стал ходить обедать в какую-то плохую немецкую кухмистерскую. И все же, несмотря на все лишения, он не мог сводить концов с концами.

Пришлось читать лекции в отдаленном горном корпусе. Из экономии туда приходилось ходить пешком даже в самую страшную стужу; ученики вовсе не интересовались отвлеченной наукой, так что заработок этот был тяжелой повинностью, без всякого нравственного удовлетворения. И вот пребывание в Петербурге, от которого он ждал столько хорошего, принесло ему ряд тяжких разочарований. Его столь радостное настроение вскоре стало уступать место пессимизму и мизантропии».

Илью Ивановича и Эмилию Львовну очень беспокоило, что их третий сын не женат и переборчив. Так, например, ему категорически не понравилась София Корвин-Круковская, вскоре вышедшая замуж за брата его друга Владимира Онуфриевича Ковалевского, известного палеонтолога. Мечников считал будущую женщину-профессора слишком рассудительной, говорил, что ей не хватает «сердца».

Родители отправили Илью в семью профессора А. И. Бекетова, брата харьковского профессора-химика в надежде, что тот женится на одной из его дочерей, но Мечников выбрал проживавшую там дальнюю родственницу Бекетовых. В 1869 году в Петербурге он обвенчался с Людмилой Федорович. Невеста была настолько слаба из-за туберкулёза, что в церковь, где проходило венчание, её внесли на стуле.

Брат Людмилы Васильевны Дмитрий Васильевич Федорович записал в дневнике: «Мне было 14 лет, память у меня хорошая. В церковь ехали в карете. Людмила, Надя и яс образом. Невеста была в лиловом шелковом платье и черной бархатной кофте, которую И[лья] И[льич] не позволил снять, так как церковь была сырая. На свадьбе были Сеченов, Ник. Ил. Мечников (шафера), Ковалевская, будущая знаменитость, с мужем, проф. Боков.

Вернувшись, закусывали, смеялись, как И[лья] И[льич] забыл фрак в университете и хватился, когда уже надо было ехать в церковь. В комнате было жарко, и Сеченов лазил на стол открывать трубу. Вот какие подробности я помню. Возможно ли, чтобы я не заметил, что сестру несли в кресле? Невероятно! Но мог же И[лья] И[льич] выдумать».

Как и положено настоящему натуралисту, Илья Ильич исследовал свою избранницу в письме матери:

«Она недурна собой, но не более. У неё хорошие волосы, но зато дурной цвет лица. Ей почти столько же лет, как и мне, т. е. 23 с лишним года. Родилась она в Оренбурге, потом долго жила в Кяхте, затем она года два жила за границей и, наконец, поселилась в Москве… В ней такие недостатки, которые, на мои глаза, покажутся большими, чем тебе, но что же с этим делать!.. Я ведь пишу тебе и о недостатках, следовательно, ты не должна думать, что я чересчур увлекаюсь Люсей и потому нахожу в ней достоинства.

Факт положительный тот, и я забыть этого не могу, что всегда, когда я себя чувствовал почему-либо скверно, то она, т. е. сношения с нею меня успокаивали. Как бы мрачно я ни смотрел на будущее (а мой характер, как знаешь, не особенно побуждает меня смотреть сквозь розовые очки), всё-таки я не могу не признавать того, что, живя вместе с Люсей, я, по крайней мере, на довольно долгое время сделаюсь спокойным и перестану страдать от той нелюдимости, которая на меня напала в последнее время».

Мечников надеялся излечить любимую, возил её то в имение родителей, то за границу. Но через четыре года Людмила Васильевна умерла от туберкулёза на Мадейре. В отчаянии он выпил огромную порцию морфия. К счастью, доза морфия оказалась слишком большой – его вырвало.