Счастье казалось близким, а будущее безоблачным, но судьба распорядилась иначе. Людмила Федорович внезапно заболела. То, что поначалу напоминало сильную простуду, оказалось скоротечной чахоткой. Илья Ильич был в отчаянии. «Почему болезнь отнимает у меня единственного близкого человека? Почему именно моей Лю суждено умереть, ведь на свете много других людей, которые уже прожили долгую достойную жизнь и готовы встретить свой конец?» – думал он долгими бессонными ночами. Внезапно ему в голову пришла шальная мысль, что его чувство способно победить тяжёлую болезнь, что, если свадьба состоится, недуг отступит. И, несмотря на скептическое отношение к этой затее родителей жениха, в 1869 году молодые люди устроили свадьбу. Венчание представляло собой печальное зрелище. Невеста была настолько слаба, что не могла самостоятельно идти к алтарю, и её пришлось нести на стуле. Жених был сосредоточен и печален, будто присутствовал не на собственной свадьбе, а прощался с кем-то родным и близким. После свадьбы Мечниковы уехали в Италию – климат Петербурга был губителен для Людмилы. Медовый месяц трудно было назвать счастливым: в спальне молодожёнов постоянно пахло лекарствами, и казалось, что болезнь – ещё один член их семьи, о котором хоть и не принято говорить вслух, но который постоянно присутствует в их доме.
Через 4 месяца после свадьбы Мечников был вынужден покинуть Италию – его избрали профессором Новороссийского университета, и, пока Илья Ильич занимался научными исследованиями, читал лекции студентам, Людмила Федорович боролась с недугом в Швейцарии, куда её перевезли для дальнейшего лечения. Мечников очень скучал, терзался тем, что оставил больную жену одну, волновался о её здоровье, но бросить науку он не мог даже ради личного счастья. Их семейная жизнь оборвалась через 4 года после свадьбы. В 1873 году Людмила Федорович скончалась, немного не дожив до своего 28-летия и так и не успев подарить мужу наследников. Мечников был в отчаянии. Ему казалось, что, если бы он был рядом, обожаемой Лю удалось бы справиться с болезнью. Чувство вины было настолько сильным, что Илья Ильич решил расстаться с жизнью, приняв морфий. Впервые в жизни учёный ошибся в расчётах – доза морфия оказалась слишком большой, и, вместо того чтобы отправиться вслед за любимой, Мечников отделался мучительным приступом рвоты.
Горе обострило болезнь глаз, и, несмотря на научную работу, после смерти жены Мечников находился в тяжелейшей депрессии, с которой он пытался справиться при помощи инъекций морфия. Бросить пагубную привычку и вновь обрести душевное равновесие Мечников смог лишь через год после кончины жены. Во многом этому способствовала новая любовь.