Studium in Heidelberg und Tübingen, Studienreisen durch Mittelmeer, Suez, Algerien, Professor an der Universität St. Petersburg.

Neben Leuckart, Lovén und Steenstrup war Kowalewskij einer der Ersten, die aus der Ontogenese des Embryos Rückschlüsse auf die Stammesgeschichte der Arten zogen. Er erkannte, daß die herrschende Einteilung des Tierreiches in Wirbellose und Wirbeltiere nicht den Verhältnissen natürlicher Verwandtschaft entsprach und zeigte, daß Manteltiere trotz ihrer festsitzenden Lebensweise den Chordatieren, dem Lanzettfischchen und damit den eigentlichen Wirbeltieren nahe verwandt sind. Er bearbeitete vergleichend die Entwicklungsgeschichte der beiden großen Tierstämme, der Protostomata und der Deuterostomata (bei der ersten wird — vereinfacht gesagt — der Mund der Gastrula zum Mund, bei den zweiten zum After) und zeigte nicht nur die grundsätzliche Verschiedenheit, sondern auch die Gemeinsamkeiten ihrer Baupläne, z. B. die Entstehung der Gewebe aus den verschiedenen Keimblättern, und leistete damit einen wesentlichen Beitrag zur Stammesgeschichte der Tiere. 

Er gründete die meeresbiologische Station in Sewastopol und lieferte gründliche Untersuchungen der Fauna des Schwarzen-, sowohl wie des Marmara-Meeres. Getragen von Begeisterung für die Evolutionslehre überarbeitete sich Kowalewskij ohne Rücksicht auf seine Gesundheit und starb mit 56 Jahren auf dem Höhepunkt seines Schaffens.