В 1910 году Николай опубликовал свое первое научное исследование, выполнявшееся как дипломная работа, — «Голые слизни (улитки), повреждающие поля и огороды Московской губернии». Оно было отмечено Московским политехническим музеем премией имени известного русского антрополога, зоолога и историка зоологии Анатолия Петровича Богданова. В 1911 году Вавилов блестяще окончил институт, и был оставлен на кафедре частного земледелия. Его руководителем стал академик Д. И. Прянишников.
В 1913 году молодой ученый получает возможность посетить ряд ведущих сельскохозяйственных лабораторий Англии, Франции и Германии. Начавшаяся в 1914 году мировая война заставила его вернуться в Россию. В 1917 году в возрасте тридцати лет Вавилов был избран профессором агрономического факультета Саратовского университета.
В 1921 году Советское правительство направляет Николая Ивановича Вавилова в США на международный конгресс по сельскому хозяйству. В США он организует Советское бюро по интродукции (распространению) ценных растений. Через это бюро он получил семена многих ценнейших сортов сельскохозяйственных растений, в которых так нуждалась наша страна.
Возвратившись на Родину, Николай Иванович становится заведующим Петроградским отделом прикладной ботаники и селекции, который в 1930 году был преобразован во Всесоюзный институт растениеводства (ВИР). С этого времени он дважды директор: кроме института под его началом генетическая лаборатория, впоследствии преобразованная в Институт генетики Академии наук СССР.
В 1923 году Николая Ивановича избирают членом-корреспондентом Академии наук СССР, а в 1929 году академиком, одновременно он становится действительным членом Академии наук УССР. В 1935 году его избирают академиком Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени В. И. Ленина (ВАСХНИЛ), президентом которой он был с 1929 года, и он становится вице-президентом ВАСХНИЛ. Эту должность он занимал до 1940 года. С 1926 по 1935 год Николай Иванович Вавилов был членом ЦИК СССР, с 1927 по 1929 год — членом ВЦИК, избирался в Ленинградский городской Совет депутатов трудящихся.
Николай Иванович был выдающимся биологом с необычайно широким диапазоном научных интересов. Он с одинаковым успехом занимался вопросами морфологии, систематики, анатомии, генетики, селекции, физиологии, иммунитета, происхождения, истории и географического распространения культурных растений.
В каждом из этих разделов сельскохозяйственной науки он открыл новые закономерности, имевшие большое практическое значение. В 1920 году он открыл закон гомологических рядов в наследственной изменчивости растений, согласно которому у близких видов, родов и даже семейств растений возникают сходные наследственные изменения.
Этот закон часто сравнивают с периодическим законом Д. И. Менделеева. По ряду морфологических признаков и свойств одного вида или рода растений он позволяет предсказывать существование соответствующих, ранее неизвестных наследственных свойств у другого вида или рода растений. Пользуясь им, селекционеры получают возможность находить исходные формы растений для дальнейшего скрещивания и отбора.
В июне 1923 года Николай Иванович сделал доклад о своем открытии на 3-м Всероссийском селекционном съезде. Делегаты встретили доклад бурной овацией. Известный физиолог Владимир Владимирович Зеленский заявил: «Съезд стал историческим. Биология будет приветствовать своего Менделеева». Другой участник съезда Николай Максимович Тулайков сказал: «Не погибнет Россия, если у нее есть такие сыны, как Николай Иванович».
В 1926 году за исследования в области наследственной изменчивости растений и открытие закона гомологических рядов Н. И. Вавилов был удостоен премии имени В. И. Ленина, а в 1940 году за работы по селекции и семеноводетву ему была присуждена Большая золотая медаль Всесоюзной сельскохозяйственной выставки.
Николай Иванович Вавилов прославился и как выдающийся географ и путешественник. Его имя справедливо ставят в один ряд с именами Николая Михайловича Пржевальского, Николая Николаевича Миклухо-Маклая и Петра Петровича Семенова-Тян-Шанского. Вавилов совершил ряд экспедиций по шестидесяти странам Европы, Азии, Африки и Америки. В 1934 году Всесоюзное географическое общество избрало его своим президентом, пост которого он занимал до 1940 года.