Народився в селi Іванівка Харківської губернії. Закінчив Харківський університет (1864 р.). Працював у Новоросійському (1867—1868 рр.) та Петербурзькому (1868 —1870 рр.) університетах. У 1870—1882 рр. — завідувач кафедри зоології та порівняльної анатомії Новоросійського університету, в 1886 —1887 рр. завідував організованою ним першою в Росії Одеською бактеріологічною станцією, в 1888—1916 рр. — завідувач лабораторії Пастера у Парижі.
Основні наукові праці присвячено еволюційній ембріології, мікробіології, імунології та геронтології. Починав з праць із зоології безхребетних та порівняльної ембріології. Детально вивчив питання про початкові етапи розвитку багатоклітинних організмів. Засновник теорії зародкових листків (1871 р.). Створив теорію походження багатоклітинних організмів (1886 р.). Один з основоположників еволюційної порівняльної ембріології (1865—1876 рр.). Ці дослідження стали значним внеском в еволюційне вчення. Відкрив явище фагоцитозу (1882 р.). Розробив на його основі фагоцитарну теорію імунітету (1883 р.) та теорію порівняльної патології.
