使自己感染回归热（英语：），虽然并未死亡，但却非常痛苦。从此以后，他开始对于微生物研究，尤其是关于免疫系统的部分感到兴趣。在1882年，他辞去奥德萨大学的职位，并且在义大利墨西拿建立了一所私人研究室，专门研究比较胚胎学。在研究海星幼体的发育时，发现了吞噬作用的存在。他提出了一个在当时相当激进的理论，认为白血球能够吞没并摧毁有害的生物体，例如细菌。而西欧的科学家如巴斯德与贝林，则对此表示轻视。梅契尼可夫之后回奥德萨担任一家研究院的主管，目标是生产巴斯德发明的狂犬病疫苗。不过由于生产上遭遇到一些问题，使梅