Badania Miecznikow zainteresował się badaniem drobnoustrojów, a zwłaszcza układu odpornościowego. W Messinie odkrył fagocytozę po eksperymentach na larwach rozgwiazdy. W 1882 roku po raz pierwszy zademonstrował proces, w którym przypinał małe kolce w larwy rozgwiazdy i odkrył niezwykłe komórki otaczające ciernie. Uświadomił sobie, że u zwierząt, które mają krew, białe krwinki gromadzą się w miejscu zapalenia i postawił hipotezę, że może to być proces, w którym bakterie zostały zaatakowane i zabite przez białe krwinki. Omówił swoją hipotezę z Carlosem Friedrichem, Wilhelmem Clausem, profesorem Zoologii na Uniwersytecie Wiedeńskim, który zaproponował mu określenie „fagocyt” dla komórki, która może otaczać i zabijać patogeny. Wyniki swoich badań przekazał na Uniwersytecie w Odessie w 1883 r.