В 1875 году Мечников проводил лето в своём имении, где и познакомился с молоденькой соседкой Ольгой Белокопытовой. Восторженное обожание, с которым 15-летняя девочка смотрела на большого учёного, покорило Мечникова. Он вспомнил свою давнюю теорию о «воспитании жены» и с энтузиазмом взялся за дело. Вскоре Илья Ильич полностью завладел личностью Оленьки. Он давал ей уроки, рассказывал об открытиях известных зоологов, подсовывал книги, которые, по его мнению, следовало бы прочитать, и даже давал советы по выбору туалетов. Оленька же вовсю старалась понравиться своему кумиру. Впоследствии она вспоминала, как в течение дня продумывала «умные» разговоры, которыми будет развлекать за ужином дорогого гостя. Вскоре Мечников понял, что его труды не пропали даром и результат «воспитания» ему нравится. В 29 лет Илья Ильич стал мужем 16-летней Ольги Белокопытовой. Надежды Ильи Ильича оказались ненапрасными – Ольга Николаевна оказалась трудолюбивой помощницей, верным другом, одарённым ассистентом, то есть именно такой женой, о которой он мечтал всю жизнь. Однако их семье пришлось пережить суровое испытание. В 1880 году Оленька заболела брюшным тифом. Врачи не питали никаких надежд на её выздоровление и откровенно советовали Илье Ильичу готовиться к худшему. «Неужели этот кошмар повторится снова? Я больше не смогу пережить потерю любимой» – такие мрачные мысли неотвязно преследовали Мечникова. Тогда учёный решился на отчаянный шаг. Он снова предпринял попытку самоубийства. Однако в этот раз его смерть должна была послужить науке. Мечников привил себе возвратный тиф, чтобы умереть вместе с любимой, а заодно и выяснить, передаётся ли болезнь с кровью. К счастью, Илья Ильич выздоровел. Несмотря на неутешительные прогнозы врачей, выздоровела и Ольга.
Остаток жизни он прожил с Ольгой Белокопытовой в Париже. Детей у них не было. После смерти родителей Ольги, ушедших из жизни друг за другом в течение года, супруги стали опекунами двух ее братьев и трех сестер.
Переживания, связанные с началом Первой мировой войны, тяжело повлияли на Мечникова, ухудшили его слабое здоровье. Обострившаяся болезнь сердца после нескольких инфарктов миокарда привела ученого к смерти.
Илья Ильич Мечников умер в Париже 15 июля 1916 года в возрасте 71 года после нескольких инфарктов миокарда.
Урна с прахом, согласно его воле, хранится в библиотеке Пастеровского института.
Ольга Мечникова надолго пережила своего мужа и скончалась в 1944 году в 86-летнем возрасте.
Среди многочисленных наград и знаков отличия Мечникова И. И. – медаль Копли Лондонского королевского общества, степень почетного доктора Кембриджского университета. Он – член Французской академии медицины и Шведского медицинского общества.