Позднее известный английский ученый Джон Бернал писал: «Для Вавилова как человека было характерно спокойное, сдержанное достоинство. Он внушал глубокое уважение здравостью своих суждений и дельностью и прямотой своего характера. Он умер на посту, по всей вероятности, в результате переутомления. Однако проделанная им работа на пользу Родины превосходит обычно выпадающую на долю одного человека. Наряду с Ломоносовым его будут считать одним из великих создателей науки в СССР».
Смерть Сергея Ивановича Вавилова была воспринята всем советским народом и прогрессивным человечеством как тяжелейшая утрата. В течение двух дней, 26 и 27 января, несмотря на жесточайший мороз, десятки тысяч людей шли в Колонный зал Дома союзов, где был установлен гроб с телом покойного. Посланцы со всех концов страны прибыли в Москву, чтобы отдать последний долг великому ученому и труженику. В президиум Академии наук СССР поступили тысячи телеграмм из разных стран, в которых выражалась скорбь невозвратимой утраты, которую понесла советская наука.
В телеграмме Джона Бернала говорилось: «Сергей Иванович стал для нас символом не только целеустремленности, но и правильности использования науки на благо человечества. Мы высоко чтим память великого человека и ученого». Известный французский физик Фредерик Жолио-Кюри телеграфировал: «Разделяю ваше горе и ваши переживания в связи со смертью великого ученого и моего друга Сергея Вавилова. Его кончину будут глубоко переживать не только в Советском Союзе, но и во всем мире».
27 января 1951 года Москва провожала Вавилова в последний путь.
Сергея Ивановича похоронили в центре старой территории Новодевичьего кладбища, где покоятся выдающиеся деятели науки и культуры нашей страны, рядом с его учителями Петром Николаевичем Лебедевым, Петром Петровичем Лазаревым, поблизости от Николая Дмитриевича Зелинского, Отто Юльевича Шмидта, Алексея Викторовича Щусева, Владимира Афанасьевича Обручева, Владимира Леонтьевича Комарова, Владимира Владимировича Маяковского. На могиле Вавилова установлен строгий памятник из серого гранита.
Имя С. И. Вавилова присвоено Институту физических проблем Академии наук СССР и Государственному оптическому институту, а также лаборатории люминесценции ФИАНа, которую он создал и возглавлял много лет.
В Академии наук была учреждена золотая медаль имени С. И. Вавилова, присуждаемая за выдающиеся работы в области физики. Этой высокой награды в разные годы были удостоены Дмитрий Владимирович Скобельцын, Александр Николаевич Теренин, Иван Васильевич Обреимов, Эдуард Владимирович Шпольский, Владимир Александрович Фабрикант, Борис Иванович Степанов, Петр Петрович Феофилов, Владимир Павлович Линник, Михаил Дмитриевич Галанин, Илья Михайлович Франк, Сергей Васильевич Вонсовский, Всеволод Васильевич Антонов-Романовский. Были учреждены четыре стипендии имени С. И. Вавилова для аспирантов физических институтов Академии наук СССР и физических факультетов Московского и Ленинградского университетов.
В декабре 1969 года по предложению Всесоюзного общества «Знание» была учреждена настольная медаль имени С. И. Вавилова — первого председателя правления общества. На ее лицевой стороне изображен портретный барельеф, а на обороте надпись: «За выдающийся вклад в пропаганду научных знаний». Ежегодно около двадцати лучших лекторов общества «Знание», а также зарубежных популяризаторов науки награждаются этой медалью. Со дня учреждения медали ею было награждено более четырехсот человек. Среди награжденных — писатель Михаил Александрович Шолохов, ректор Московского университета академик Анатолий Алексеевич Логунов, президент Академии наук Эстонской ССР Карл Карлович Ребане, вице-президент Чехословацкой академии наук академик Богумил Квасил и многие другие известные ученые и деятели культуры.
Около зданий ФИАНа в Москве, ГОИ в Ленинграде и Белорусского оптико-механического объединения в Минске установлены памятники С. И. Вавилову, а на здании ГОИ и на старом здании ФИАНа на Миусской улице — мемориальные доски в память о том, что здесь долгие годы работал Сергей Иванович. Мемориальная доска установлена также в Йошкар-Оле на доме, где в годы войны жил С. И. Вавилов.
Именем Вавилова названа одна из новых магистралей Октябрьского района Москвы, к которой примыкает территория нового здания ФИАНа. Есть улицы, носящие имя Сергея Ивановича, и в Йошкар-Оле, Перми, Бухаре, в городе физиков Дубне. Именем братьев Вавиловых названа одна из улиц Ленинграда.