1916 — командировка в действующую армию, в Персию, выявление Вавиловым причин массовой заболеваемости солдат: от попадания в муку плевела, сорного растения. Самостоятельные научные экспедиции по Северному Ирану и на Памир. Возвращение в Москву и научный доклад, в котором впервые высказана гипотеза о так называемых пеклах творения — центрах формообразования и формирования культурной флоры. Защита магистерской диссертации «История цветка в растительном царстве».
1917 — отъезд в Саратов, начало преподавательской деятельности на сельскохозяйственных курсах. Ученым комитетом департамента земледелия России Вавилов избран помощником заведующего Отделом прикладной ботаники и селекции (с отсрочкой до сентября 1918 года).
1918 — получение звания профессора и кафедры частного земледелия и генетики в Саратовском сельскохозяйственном институте (институт вскоре был преобразован в университет). Рождение сына Олега.
1919 — вышла в свет первая монография Вавилова «Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям».
1920 — выступление Вавилова на I Всероссийском съезде ботаников и на III Всероссийском съезде селекционеров и семеноводов с докладом «Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости» и отзыв научной общественности: «Биологи приветствуют своего Менделеева!» Поездка в город Козлов и знакомство с И. В. Мичуриным. Научные экспедиции по Астраханской, Царицынской, Саратовской, Самарской губерниям. Вавилов возобновляет в Петрограде прерванную смертью Р. Э. Регеля работу Отдела прикладной ботаники и селекции.
1921 — поездка в США для закупки семян вследствие засухи в Поволжье и для участия в Международном фитопатологическом конгрессе. Встреча с селекционером Лютером Бербанком. Организация Вавиловым в Нью-Йорке заграничного отделения Российского отдела прикладной ботаники и селекции. Знакомство с научными центрами США и Канады. Вавилов занимается преподавательской деятельностью в Ленинградском сельскохозяйственном институте, будучи профессором кафедры генетики и селекции (читал лекции студентам до 1931 года).
1922 — научная командировка в Голландию к физиологу и генетику Гуго де Фризу.
1923 — назначение директором научного центра, созданного взамен Отдела прикладной ботаники и селекции, Государственного института опытной агрономии (спустя два года учреждение переименовали во Всесоюзный институт прикладной ботаники и новых культур при Совнаркоме СССР). Избрание членом-корреспондентом Академии наук СССР.
1924 — научная экспедиция в Афганистан. Вавилов закладывает на всей территории СССР сеть по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур.
1925 — получение золотой медали имени Н. М. Пржевальского «За географический подвиг». Выступление с программным докладом в Кремле «Очередные задачи сельскохозяйственного растениеводства (Растительные богатства Земли и их использование)». Утверждение кандидатуры Вавилова на должность директора Всесоюзного института прикладной ботаники и новых культур (в 1930 году переименован во Всесоюзный институт растениеводства — ВИР).
1926 — избрание Вавилова членом Центрального исполнительного комитета СССР (состоял до 1935 года включительно). Получение Ленинской премии за работы по иммунитету и происхождению культурных растений.
1926–1927 — экспедиции в страны восточного побережья Средиземного моря, в Африку.
1927 — доклад на V Международном конгрессе по генетике (Берлин)
«О мировых центрах генов культурных растений». Сообщение на Международном конгрессе экспертов по сельскому хозяйству в Риме об опыте «географических посевов». Бракосочетание с Е. И. Барулиной и путешествие с научными целями по Италии. Экспедиция в Испанию.
1928 — рождение сына Юрия.
1929 — экспедиции в страны Дальнего Востока и Азии. Вавилов занимает пост президента вновь созданной Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени В. И. Ленина (ВАСХНИЛ). Избрание действительным членом Академии наук СССР и АН УССР, членом экспедиционной комиссии АН СССР, членом ВЦИК и коллегии Народного комиссариата земледелия СССР. Избрание Вавилова членом международного совета экспертов при Римском международном агрономическом институте. Вавилов становится членом-корреспондентом Чехословацкой академии сельскохозяйственных наук, членом-корреспондентом Германской академии естествоиспытателей, почетным членом Британского общества садоводства. Организация Вавиловым Всесоюзного съезда по генетике в Ленинграде, Вавилов приглашает для участия в работе съезда Т. Д. Лысенко.
1930 — доклад на V Международном ботаническом конгрессе (Кембридж) «Линнеевский вид как система». Выступление на IX Международном конгрессе по садоводству (Лондон). Организация II Международного конгресса почвоведов в Москве. Вавилов возглавил созданный им Институт генетики АН СССР. Экспедиция по американскому континенту.
1931 — избрание президентом Всесоюзного географического общества.