Сначала мальчик учился в Московском коммерческом училище. В 1906 году он продолжил образование на агрономическом факультете в Московском сельскохозяйственном институте. Студентом уезжал на практику на Кавказ и Полтаву, изучал генеалогию растений. В 1911 году Вавилов окончил институт и на селекционной станции занялся исследованием иммунитета культурных растений к паразитам, позже стажируется в Петербурге.

В 1913 году Вавилова отправляют в заграничную командировку для изучения новинок в селекции и генетике. По возвращении из Европы ученый начал проводить опыты по иммунитету растений. Во время Первой мировой войны помог выявить причину отравления солдат местной мукой, затем продолжил свою научную работу в Иране и Памире.

В канун революции Вавилова пригласили в Саратов руководить кафедрой генетики, селекции и частного земледелия. Здесь же он не оставлял изучения иммунитета злаков. В результате в 1919 году ученый выпустил монографию «Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям».

В 1920-е годы Вавилов в рамках научной деятельности посещает США и Европу, Афганистан и Африку, где пополняет коллекцию образцов злаковых культур и лекарственных трав. По итогам афганской экспедиции ученый выпускает совместно с Д. Букиничем книгу «Земледельческий Афганистан», за которую получает золотую медаль имени Н.М. Пржевальского. В этот же период Вавилов организует и возглавляет сначала Всесоюзный институт прикладной ботаники и новых культур, позже Институт генетики АН СССР. А также продолжает свои азиатские экспедиции. В 1940 году во время экспедиции по областям Украины и Беларуси ученого арестовывают и спустя год приговаривают к расстрелу.

Однако позже высшую меру заменяют 20-летним сроком. 26 января 1943 года Николай Иванович Вавилов скончался в саратовской тюрьме и спустя много лет был реабилитирован посмертно.

В настоящее время его имя носит Саратовский государственный аграрный университет. В эти дни в вузе проходит международная научная конференция «Вавиловские чтения – 2015».