Родители Л. И. Мечникова: гвардейский офицер, помещик Илья Иванович Мечников и Эмилия Львовна Мечникова (урожд. Невахович).
По отцовской линии Лев Ильич Мечников происходил из старинного молдавского боярского рода. Мать Льва Ильича Мечникова — Эмилия Львовна Невахович — дочь известного еврейского публициста и просветителя Лейба Нойеховича (Льва Николаевича) Неваховича (1776—1831), считающегося основателем т. н. русско-еврейской литературы (см. его книгу «Вопль дщери иудейской». — СПб., 1803). В честь деда — Льва Неваховича — и был назван Лев Ильич Мечников. Братья Эмилии Невахович: Михаил Львович Невахович (1817—1850) — карикатурист, издатель первого в России юмористического сборника «Ералаш» (СПб., 1846-49); Александр Львович Невахович (1819—1880) — драматург, заведующий репертуарной частью Императорских театров.
Младший брат Л. И. Мечникова — физиолог, лауреат Нобелевской премии Илья Ильич Мечников.
В 1850—1852 годах был воспитанником петербургского училища правоведения, однако оставил учебу из-за болезни. Вскоре из-за дуэли был вынужден покинуть и гимназию и к поступлению в университет готовился дома, в поместье отца. Учился в Харьковском университете (проучившись семестр, был исключён в 1856 году из-за участия в революционных кружках), затем на факультете восточных языков Петербургского университета. Параллельно посещал занятия в Академии художеств. Через полтора года из-за финансовых затруднений оставил университет.
Некоторое время работал переводчиком при дипломатической миссии Б. П. Мансурова на Востоке; посетил Константинополь, Афон и Иерусалим. Был уволен за неповиновение начальству (нарисовал карикатуру на начальника, затем стрелялся на дуэли с человеком, который показал рисунок Мансурову). Вернулся в Петербург, где слушал лекции на физико-математическом факультете Петербургского университета, но вскоре снова бросил учебу. Сначала работал торговым агентом на Ближнем Востоке, затем в 1860 году уехал в Венецию.
В Венеции Мечников быстро включился в политическую жизнь, вступил в «Тысячу» Гарибальди. Был тяжело ранен 1 октября 1860 года в сражении при Вольтурно, где командовал артбатареей. Остался инвалидом и передвигался на костылях.
В дальнейшем с 1861 года жил в Сиене, а после женитьбы в 1862 году — во Флоренции и с 1864 года до конца жизни в Женеве. Активно общался с русскими и европейскими социалистами и анархистами (Герценом, Бакуниным, Огаревым, Элизе Реклю и др.), с 1874 года и до конца жизни был личным секретарём Элизе Реклю. В Женеве Л. И. Мечников вступил в анархистскую секцию I Интернационала.
Тогда же Мечников начал публиковать под псевдонимом «Леон Бранди» в журналах русской эмиграции статьи на литературные и политические темы, некоторое время был редактором собственного журнала «Бич» («Flegello») в духе итальянского национализма, много путешествовал. По своим политическим взглядам Илья Мечников был анархистом, в 1871 году участвовал в поддержке Парижской коммуны.
В 1874 году Мечников на два года уезжает в Токио, где преподает в Токийской школе иностранных языков и других учебных заведениях. Параллельно он изучает природу, историю и культуру Японии, японское общество. Вернувшись в Женеву в 1876 году, он обрабатывает накопленный материал, продолжает заниматься публицистической деятельностью, а затем выпускает книгу «Японская империя», представляющую собой комплексное страноведческое описание.
С 1883 года Лев Мечников преподает географию в Невшательской академии, заведует кафедрой сравнительной статистики и географии в Лозаннском университете, сотрудничает в издаваемом Э. Реклю журнале «Geographie Universelle» и работает над фундаментальным трудом, посвященным развитию цивилизаций и их Среды. Однако он не успевает издать книгу — 18 июня 1888 г. Лев Мечников скончался от туберкулеза. Труд всей его жизни, «Цивилизация и великие исторические реки» был издан посмертно его другом Ж. Ж. Элизе Реклю. Эта посмертная книга Мечникова оказала значительное влияние на мировоззрение ирландского писателя Джеймса Джойса, который прочёл её в 1924 году.
Лев Мечников придерживался детерминистских взглядов в географии, был сторонником органической школы в социологии и убежденным анархистом в политике. Основным вопросом, который рассматривает Мечников, является взаимоотношение цивилизации и Среды, в которой она существует. Развитие цивилизаций стадиально, происходит революционным путем и не является необратимым процессом. Роль природной среды — научить людей солидарности и взаимопомощи, поначалу силой страха и принуждения (речные цивилизации), затем на основе выгоды (морские цивилизации) и, наконец, на основе свободного выбора (глобальная океаническая цивилизация). При этом эволюция цивилизации и Среды происходит параллельно и определения самой Среды меняется по мере развития цивилизации.
В отличие от марксистов, Мечников считал первопричиной социальных изменений не прогресс техники или материального производства, а изменение ценностных установок людей, их стремление к помощи друг другу. Вместе с тем, Мечников признавал необходимость технического прогресса, который является средством изменения взаимоотношений цивилизации с ее Средой и их взаимного прогресса.