Ad Odessa, sebbene il tempo stesse passando, non riusciva ad abituarsi alla sua solitudine; si innamorò di una giovane ragazza che abitava al piano di sopra del suo appartamento, Ol'ga Belokopytova, e alla quale dava ripetizioni di zoologia. Chiese al padre di lei la sua mano e i due giovani si sposarono nel febbraio 1875, nonostante Ol'ga non avesse ancora terminato gli studi liceali. Si dimostrerà, tuttavia, una moglie esemplare, diventando per Il'ja la compagna e la collaboratrice inseparabile. Del marito ammirava le doti intellettive, la preparazione, il temperamento passionale e impulsivo, la tenacia nel perseguire i suoi obiettivi e la grandissima sensibilità. Lei gli stette accanto sia quando Mečnikov abbandonò l'università di Odessa perché ormai era diventata esclusivamente vittima degli intrighi politici, sia quando, lasciata la Russia, si recarono a Messina nell'autunno del 1882, dove Il'ja fece la più grande scoperta della sua vita.