早期與俄羅斯動物學家α ο Kovalevski合作研究無脊椎動物胚胎胚層的發育。1880年，妻子家鄉農場甲蟲成災，他用真菌做實驗防治甲蟲，這讓他對研究傳染病產生了興趣。在1862中，德國生物學家艾倫斯特·赫克爾描述了白細胞吞噬染料顆粒的現象。在1865，Mechnikov註意到蛔蟲的細胞內消化。在1882中，他觀察到海星幼蟲體內有壹個透明的、可移動的細胞包圍著入侵的異物，比如靛藍染料顆粒。這種細胞來自中胚層，類似於有血管系統的動物的炎癥反應。因此，他認為這種細胞具有防禦功能。這壹發現發表於1883，並創造了“吞噬細胞”壹詞。後來他觀察到海星幼體的遊走細胞在幼體變態過程中能吸收無用的身體部分，證明高等動物(包括人)的白細胞也來自中胚層，能清除入侵的異物，尤其是細菌。很多人反對這個理論，認為吞噬細胞不是保護身體，而是把入侵的異物帶到身體周圍。從1883到1910，他寫了很多文章來捍衛和修正自己的理論，比如《炎癥的比較病理學》(1892)、《傳染病的免疫》(1901)。進入巴斯德研究所後，他繼續研究免疫、發熱和感染的機制，並進行公開講座，吸引了許多學生，其中包括J. Bordais。之後A.E .萊特和S.R .道格拉斯發現了青黴素，可以幫助白細胞吞噬細菌，這壹發現也為細胞免疫理論的建立做出了貢獻。
1903年他和E. Lu使猿感染梅毒，證明人類非梅毒螺旋體是唯壹宿主。經過對衰老與長壽問題的研究，認為良好的衛生習慣和正常的腸道菌群有利於健康長壽。保加利亞人的長壽也和他們吃含有乳酸菌的酸奶的習慣有關。人性發表於1903。