Уже в детстве научные занятия заменяли Илье обычные детские игры. Сверстники и братья становились слушателями импровизированных «лекций», на которых будущий ученый излагал итоги своих наблюдений.
Задолго до поступления в гимназию юный Мечников много знал о растительном и животном мире. Однажды студент-медик Ходунов, приглашенный к старшему брату Ильи в качестве учителя, прогуливаясь по саду, стал свидетелем интересной сцены. На лужайке чинно сидели малыши, перед которыми важно расхаживал Илюша. На носу у него красовались сделанные из проволоки очки, а в руках он держал лягушку, которая отчаянно дергала ногами. «Вы видите лягушку, – говорил мальчик. – У нее есть легкие, которыми она дышит. Маленькие лягушата не похожи на взрослых лягушек. Их называют головастиками, и они плавают в воде, как рыбки…» Детям нравились эти «лекции», сопровождавшиеся демонстрацией живых лягушек, рыбок и мышей. Чтобы еще больше заинтересовать слушателей, «профессор» объявил, что будет платить своим «студентам» по две копейки за лекцию, чтобы они не разбегались.
После начального домашнего образования для Ильи наступили годы учебы в харьковской гимназии. В процессе учебы он проявлял нестандартность мышления, которую нельзя было утаить. Например, учитель русской словесности Захар Петрович Парфенов с удивлением прочитал сочинение ученика Ильи Мечникова, но по достоинству оценил его. «Господа! – сказал учитель, обращаясь к классу. – В этом сочинении гимназист Мечников отрицает существование Бога… Что же мне делать, милостивый государь? Если я передам ваше сочинение в совет гимназии, вас немедленно исключат. Если я этого не сделаю, но совету станет известно содержание этой тетради, то я за потворство вам лишусь службы и моя семья останется без хлеба. Как прикажете мне поступить? Я, заботясь о вашем развитии, не стесняю вас казенными темами для сочинений, а вы посягаете на мой кусок хлеба. Стыдно!.. Я этого не заслужил. Возьмите ваше сочинение, я не передам его в совет. И надеюсь, что в классе не найдется ни одного мерзавца и дело умрет в этих стенах».
Ученики не подвели Захара Петровича, о содержании сочинения Ильи никто не узнал, но юный Мечников получил от своих гимназических товарищей прозвище «Бога нет».
По убеждениям Илья действительно был стихийным атеистом, во многом благодаря общению со студенческой средой и знакомству с произведениями