En sus inicios, colaboró con el zoólogo ruso A.O. Kovalevsky para estudiar el desarrollo de la capa germinal embrionaria de los invertebrados. En 1880, la granja de la ciudad natal de su esposa estaba infestada de escarabajos. Experimentó con hongos para controlar los escarabajos y logró ciertos resultados, lo que despertó su interés en el estudio de las enfermedades infecciosas. En 1862, el biólogo alemán Ernst Haeckel describió el fenómeno de los leucocitos que tragan partículas de tinte. En 1865, Metchnikoff observó el fenómeno de la digestión intracelular en una lombriz intestinal. En 1882, observó una célula móvil y transparente en el cuerpo de una larva de estrella de mar que rodeaba un objeto extraño invasor, como una partícula de tinte índigo. Las células se originan en el mesodermo, un fenómeno similar a la respuesta inflamatoria en animales con vasculatura. Por tanto, creía que las células tenían una función defensiva. Este descubrimiento se publicó en 1883 y se acuñó el término "fagocitosis". Más tarde, observó que las células errantes de las larvas de estrellas de mar pueden absorber partes del cuerpo que se vuelven inútiles durante la metamorfosis de las larvas. Esto demostró además que los glóbulos blancos de los animales superiores (incluidos los humanos) también provienen del mesodermo y pueden eliminar los extraños invasores. cuerpos, especialmente las bacterias. Mucha gente se opone a esta teoría, creyendo que los fagocitos no protegen el cuerpo, sino que transportan cuerpos extraños invasores por todo el cuerpo. De 1883 a 1910 escribió numerosos artículos para defender y revisar su propia teoría, como "Un curso de patología comparada de la inflamación" (1892) e "Inmunidad a las enfermedades infecciosas" (1901). Después de ingresar en el Instituto Pasteur, continuó estudiando los mecanismos de inmunidad, fiebre e infección, y dio conferencias públicas, atrayendo a muchos estudiantes, entre ellos J. Bordet. Después de esto, A.E. Wright y S.R. Douglas descubrieron la penicilina que podría ayudar a los glóbulos blancos a fagocitar las bacterias. Este descubrimiento también contribuyó al establecimiento de la teoría de la inmunidad celular.
En 1903, él y E. rhinoceros fueron infectados con sífilis, demostrando que los humanos no son el único huésped de Treponema pallidum. Posteriormente, estudió las cuestiones del envejecimiento y la longevidad y creía que unos buenos hábitos de higiene y una flora intestinal normal son útiles para la salud y la longevidad. La longevidad de los búlgaros también está relacionada con su hábito alimentario de consumir yogur que contiene lactobacilos. Publicó "La naturaleza humana" en 1903.