Стажировался в Петербурге в Бюро прикладной ботаники под руководством Р.Э. Регеля и в лаборатории микологии и фитопатологии под руководством А.А. Ячевского. В 1913–1914 работал в Садоводческом институте у одного из основоположников генетики У. Бэтсона, которого Вавилов впоследствии называл своим учителем и «первым апостолом нового учения», а затем во Франции, в крупнейшей семеноводческой фирме Вильморенов, и в Германии у Э. Геккеля. После начала Первой мировой войны Вавилов с трудом сумел выбраться из Германии в вернулся в Россию. В 1916 отправился в экспедицию в Иран, затем на Памир. В 1916 году Вавилов посетил Северный Иран, Фергану и Памир. В этих путешествиях молодой ученый собрал интереснейший научный материал, который позволил ему сделать еще два крупных открытия — установить законы гомологических рядов и центры распространения культурных растений. Вернувшись в Москву Николай Иванович, продолжил свою работу по иммунитету растений на селекционной станции Московского сельскохозяйственного института.
В 1917 г. Вавилов был избран профессором агрономического факультета Саратовского университета, вскоре выделившегося в Саратовский сельскохозяйственный институт, где Николай Иванович был назначен заведующим кафедрой частного земледелия и селекции. В Саратове Вавилов развернул полевые исследования ряда сельскохозяйственных культур и закончил работу над монографией «Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям», опубликованной в 1919, в которой обобщил свои исследования, выполненные ранее в Москве и в Англии. В Саратове начала создаваться вавиловская школа исследователей ботаников-растениеводов-генетиков и селекционеров. Там же Вавилов был организатором экспедиции по обследованию видового и сортового состава полевых культур Юго-Востока Европейской части РСФСР — Поволжья и Заволжья. В июне 1920 г. выступил с докладом о гомологических рядах на III Всероссийском съезде селекционеров в Саратове. В 1920-е годы по инициативе Вавилова Народным комиссариатом земледелия РСФСР была создана сеть опытных селекционных станций, явившихся отделениями Государственного института опытной агрономии. В 115 отделениях и опытных станциях, в различных почвенно-климатических условиях СССР — от субтропиков до тундры — шло изучение и испытание разных форм полезных растений.
В марте 1921 г. вместе с группой сотрудников переехал в Петроград, возглавлял Отдел прикладной ботаники и селекции (бывшее Бюро прикладной ботаники Сельскохозяйственного ученого комитета). В 1922 Вавилов был назначен директором Государственного института опытной агрономии, объединившего различные отделы Сельскохозяйственного ученого комитета. В 1924 г. стал директором Всесоюзного института прикладной ботаники и новых культур, в 1930 г. – директором его преемника, Всесоюзного института растениеводства c широкой сетью отделений, опытных станций и опорных пунктов. В 1924 году Вавилов организует экспедицию в Афганистан, в районы, где до него не ступала нога европейца. Здесь он собирает исключительный по ценности материал. В 1926 году Вавилов совершает большую поездку по странам Европы, а также Северной Африки. И снова ученый привозит собранные им образцы растений. В последующие годы Вавилов посетил Японию, Китай, а также Южную Америку. Он уже собрал столько образцов различных растений, что его теория получила полное подтверждение. В 1927 г. участвовал в работе V Международного генетического конгресса в Берлине. Был президентом, а в 1935–1940 – вице-президентом Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук им. В.И. Ленина (ВАСХНИЛ). Во Всесоюзном институте растениеводства Вавилов создал отдел генетики, а в 1930 г. возглавил преемницу Бюро по генетике Лабораторию генетики. Три года спустя Лаборатория генетики была преобразована в Институт генетики АН СССР. В 1931–1940 гг. был президентом Всесоюзного географического общества. В 1942 г. был избран иностранным членом Лондонского королевского общества.
Под редакцией Вавилова и при его участии выходили «Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции», начали издаваться многотомные сводки «Культурная флора СССР» и «Биохимия культурных растений», было издано руководство «Теоретические основы селекции растений» (1935), «Руководство по апробации сельскохозяйственных культур», большое количество сборников и монографий. Вавилов создал целую школу исследователей культурных растений, заслужившую признание в мировой науке.
По его инициативе в 1937 году в СССР был проведен международный конгресс генетиков. Начиная с 1939 года, при негласной поддержке Сталина, Лысенко и его сторонники проводили настоящий разгром генетической науки в СССР. В 1940 году Вавилов был назначен начальником Комплексной (агроботанической) экспедиции Наркомзема СССР в западные районы Украинской и Белорусской ССР. 6 августа 1940 года Вавилов был арестован в предгорьях Карпат, вблизи г. Черновцы. Следствие по его делу продолжалось долго. Решением Президиума Верховного Совета СССР 23 июня 1942 расстрел в порядке помилования заменен 20-ю годами заключения в исправительно-трудовых лагерях. От голода Сергей Иванович заболел дистрофией и умер, предельно истощенный в тюремной больнице 26 января 1943.
20 августа 1955 Вавилов был посмертно реабилитирован. В 1965 была учреждена премия им. Н. И. Вавилова, в 1967 его имя было присвоено ВИРу, в 1968 учреждена золотая медаль имени Вавилова, присуждаемая за выдающиеся научные работы и открытия в области сельского хозяйства.
При жизни Николай Иванович был избран членом и почетным членом многих зарубежных академий, в том числе Лондонского Королевского общества (1942), Шотландской (1937), Индийской (1937), Аргентинской академий, членом-корреспондентом АН Галле (1929; Германия) и Чехословацкой академии (1936), почетным членом Американского ботанического общества. Линнеевского общества в Лондоне, Английского общества садоводства и др.