Советский ботаник, растениевод, генетик, географ и организатор науки, член-корреспондент (1923) и действительный член (1929) АН СССР, академик (1929) и первый президент (1929–1935) ВАСХНИЛ, действительный член АН УССР (1929), иностранный член Лондонского королевского общества (1942) и многих других зарубежных научных обществ и академий, президент Всесоюзного географического общества (1931–1940), лауреат премии им. В.И. Ленина (1926). Организатор и директор многих научно-исследовательских учреждений – Государственного института опытной агрономии (1922), Всесоюзного института прикладной ботаники и новых культур (1924), Всесоюзного института растениеводства (1930) и др. В 1920–1930 гг. был участником и организатором множества экспедиций по сбору культурных растений, в частности в Афганистан, Японию, Китай, страны Центральной и Южной Америки, северной Африки, Ближнего Востока, Средиземноморья, в Эфиопию, Эритрею, в различные регионы СССР.
Создал теорию центров происхождения и разнообразия культурных растений, приуроченных, главным образом, к пяти районам: горным областям юго-западной и юго-восточной Азии, Средиземноморью, горной Эфиопии, Южной и Центральной Америке (Вавилов, 1926). Сформулировал закон гомологических рядов в наследственной изменчивости, согласно которому “виды и роды, генетически близкие между собой, характеризуются тождественными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм для одного вида, можно предвидеть нахождение тождественных форм других видов и родов” (Вавилов, 1920, 1935). Определение вида у В. несет ясное биогеографическое содержание, различающее экологические и исторические факторы формирования ареалов: "При динамическом понимании видов как систем приходится учитывать историю видов, их расселение в пространстве, нередко требующее от исследователя знания геологии, учета изменений материков, наступления ледников, роли горообразовательных процессов в изоляции видов. Изучая вид, не приходится забывать его историчности… Линнеевский вид, таким образом, в нашем понимании - обособленная сложная, подвижная морфофизиологическая система, связанная в своем генезисе с определенной средой и ареалом" (Вавилов, 1931, с. 27).