В начале пребывания в училище Сергей ленился, некоторыми предметами занимался кое-как, чем нередко навлекал на себя гнев родителя. Александр Николаевич Ипатьев, опираясь на рассказы своей матери Александры Ивановны и бабушки Александры Михайловны, писал: «Николай и Лидия учились очень хорошо, доставляя родителям в этом отношении только радости. Другое дело Сергей. Его нередко драл дед Иван Ильич за лень и плохие отметки. Нельзя, однако, отказать Сергею Ивановичу в склонности к физике даже в столь юном возрасте, на поприще которой он достиг выдающихся высот. С помощью чернил «Смерть» он переделывал в своей ученической ведомости двойки на пятерки и, если все-таки бывал разоблачен, то, ожидая порки, подкладывал себе в брюки лист картона, чтобы смягчить боль, причиняемую родительским гневом. Сам Сергей Иванович не отрицал впоследствии этих своих «физических» опытов».
Сестер Александру и Лидию учили играть на фортепиано, для чего в дом был приглашен учитель музыки. Мальчики считали это занятие зазорным. Однако у Сережи был прекрасный слух, он рано научился понимать музыку, глубоко чувствовал ее, помнил целые оперы и нередко напевал из них.
С раннего детства у Сергея проявилась тяга к изучению природы. Он любил рассматривать и читать книжки про зверей и птиц, собирал и засушивал листья и травы, поражая окружающих разнообразием познаний из жизни животных и растений. Позднее он писал в дневнике: «Природу я люблю, но мне нужны от природы только тишина и не мешающая думать красота».
Несмотря на равнодушие Сергея ко многим предметам обязательной программы училища, он с большим интересом изучал физику и химию. Особенно его увлекали лабораторные опыты, которыми преподаватели сопровождали свои объяснения. Хотелось самому воспроизвести тот или иной опыт. Желание это поддерживал и старший брат Николай — большой авторитет для Сережи.
Тем временем дела Ивана Ильича быстро шли в гору. В 1905 году он продал свой дом в Никольском переулке и приобрел старинный деревянный особняк с двумя небольшими флигелями на Средней Пресне (ныне улица Заморенова, до наших дней дом не сохранился, снесен в 1924 году). Дом был с мезонином и состоял из одиннадцати комнат. Вспоминая о нем, Сергей Иванович писал: «Дом, старый дворянский, столетней давности, с колоннами внутри, с расписными стенами, с большим залом, с дверями красного дерева».
Зал переделали на три комнаты — спальню для родителей и комнаты для мальчиков. У Сергея была самая маленькая комната. Кто-то повесил в ней портреты Николая Гавриловича Чернышевского, члена петербургского «Союза борьбы за освобождение рабочего класса», Ивана Платоновича Каляева, казненного в мае 1905 года в Шлиссельбургской крепости, и известной в истории русской революции Марии Александровны Спиридоновой, в те времена отбывавшей бессрочную каторгу в Нерчинске.
Дом окружал старый запущенный, но очень хороший яблоневый сад. Во дворе располагались конюшня и другие хозяйственные постройки, в том числе небольшой сарай, который братья облюбовали для своих опытов.
Иван Ильич не жалел денег на расходы, связанные с обучением детей. В доме было много книг, с согласия родителей дети покупали все интересующие их издания. Так же обстояло дело и с экспериментальными увлечениями братьев. Сергей Иванович вспоминал, что он стал заводить банки с химикалиями, спиртовки, горелки, склянки, колбы и реторты. «У меня была целая большая полка с препаратами (штук 50), купленными на дареные деньги в аптеке у Феррейна. Вообще дорогу к Трындину за посудой, а к Феррейну за чистыми веществами я хорошо узнал лет с четырнадцати».
Известный советский кристаллограф академик Алексей Васильевич Шубников был одного возраста с Николаем Вавиловым и в те времена учился с ним вместе. В шестом классе Алеша Шубников с болышим трудом и немалыми материальными затратами построил для себя электрофорную машину. Он был очень рад, что машина дает искры длиной 5 сантиметров, и охотно демонстрировал ее всем желающим.
Слухи о машине дошли и до ученика младших классов Сережи Вавилова. Вскоре Шубников получил от него заказ изготовить такую же машину. На расходы и за труды Алеша получил 5 рублей — для него сумму невиданную. Через две недели Сергей стал счастливым обладателем электрофорной машины, которой пользовался в своих экспериментах.
Что сказать о влиянии на Сережу старшего брата? Разница в возрасте между братьями составляла четыре года. Это особенно ощутимо в детстве. Николай охотно покровительствовал маленькому братишке. Старший брат был смел, энергичен, силен, обладал твердым характером. При случае он, не раздумывая, вступал с обидчиком в драку, всегда мог постоять за себя и за своего гораздо менее решительного брата.