Metsjnikov ble født i en landsby kalt Ivanovka ikke så langt unna Kharkov i Ukraina. Han var den yngste av fem barn av Ilja Ivanovitsj Metsjnikov, som var en offiser i den russisk keiserlige garden. Moren hans, Emilia Lvovna, var datter av den jødiske forfatteren Leo Nevakhovitsj, hvilket hadde stor innflytelse Metsjnikovs utdannelse, spesielt innenfor vitenskap. Etternavnet er en direkte oversetting fra rumensk, siden Metsjnikovs far var en etterkommer av kansleren Jurij Stefanovitsj, Nikolai Spatharis barnebarn. Ordet er en russisk oversetting av det rumenske ordet (på norsk: ). Metsjnikovs eldre bror, Lev, ble en geograf og sosiolog.