Знакомство двух молодых ученых перешло в крепкую дружбу и многолетнее научное содружество. Одна из их совместных работ была удостоена премии имени академика Бэра. Здесь, в Италии, Мечников знакомится и с другими замечательными соотечественниками, в частности с И. М. Сеченовым.
Отзываясь о молодом Мечникове, И. М. Сеченов писал: «Из всех молодых людей, которых я знавал, более увлекательного, чем молодой Илья Ильич, по подвижности ума, неистощимому остроумию и разностороннему образованию, я не встречал в жизни. Насколько он был серьезен и продуктивен в науке, уже тогда он произвел в зоологии очень много и имел в ней большое имя, настолько же жив, занимателен и разнообразен был в дружеском обществе».
Сделав ряд крупных открытий в сравнительной эмбриологии, И. И. Мечников в 80-х годах XIX столетия вплотную подходит к созданию знаменитой фагоцитарной теории.
Оказалось, что белые кровяные шарики буквально пожирают болезнетворные микроорганизмы, проникающие в тело человека. Это навело ученого на мысль о том, что белые кровяные шарики защищают организм человека от инфекционных заболеваний.
Фагоцитоз И. И. Мечников рассматривал не только как средство борьбы с инородными включениями. Уже из первых своих наблюдений он сделал вывод, что фагоциты (т. е. белые кровяные шарики) захватывают и растворяют омертвевшие или ослабевшие клетки организма.
Однажды, изучая под микроскопом кровь столетней женщины, И. И. Мечников увидел нечто удивительное: крупные белые кровяные клетки, так называемые макрофаги, проявляли необыкновенную подвижность и затеяли подлинную борьбу, но с кем? Внимательно приглядевшись, И. И. Мечников увидел, что макрофаги окружали устаревшие клетки организма и целиком поглощали их. Таким образом, ученый понял, что макрофаги разрушают «благородные элементы организма», перерождая их в инертную соединительную ткань. Макрофаги, в течение всей жизни охраняющие организм, в старости ускоряют его гибель. Они «съедают» клетки половых желез, печени, сосудов, нервной системы.
Продолжая работать над теорией фагоцитоза, И. И. Мечников стремился доказать, что у пожилого человека снижаются умственные способности и расстраивается обмен веществ потому, что макрофаги нападают на стареющие клетки головного мозга, и те теряют способность к восстановлению. А это, в свою очередь, приводит к развитию атеросклероза и в конце концов к преждевременной смерти.