С 1917 года по 1921 год он исследовал районы Среднего и Нижнего Поволжья, Результаты этой экспедиции легли в основу его работы «Полевые культуры Юго-Востока».
В 1923 году Вавилова избрали членом-корреспондентом Академии наук СССР. Он стал директором Государственного института опытной агрономии и Всесоюзного института прикладной ботаники и новых культур.
В 1924 году Вавилов собрал исключительный по ценности материал по культурной флоре в Афганистане. В 1925 году исследовал Хивинский оазис и некоторые районы Узбекистана. В 1926–1927 годах обследовал средиземноморские страны Африки и Европы – Трансиорданию, Алжир, Тунис, Марокко, Египет, Сирию, Палестину, Грецию, острова Крит и Кипр, Италию с Сицилией и Сардинией, Испанию и Португалию. С берегов Средиземного моря Вавилов двинулся к Красному морю, побывав во Французском Сомали, Эфиопии и Эритрее. В средиземноморской экспедиции он почерпнул огромные данные для развития своих теоретических концепций.
В 1929 году Вавилова был избран в действительные члены Академии наук СССР. По тому времени он оказался самым молодым по возрасту академиком. В том же году его избрали членом Украинской Академии и президентом Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук.
В 1929 году Вавилов работал в Западном Китае, в Японии и в Корее.
В 1930 году возглавил Институт генетики.
В том же году он совершил поездку в Центральную Америку и в Мексику, в 1931 году – в Данию и в Швецию, а в 1932 и в 1933 годах Вавилов провел самую длительную свою экспедицию, побывав на Кубе, в Перу, Боливии, Чили, Бразилии, Аргентине, Уругвае, на острове Тринидад и в Пуэрто-Рико. В кратких перерывах между экспедициями он успевал еще посещать самые разные уголки Советского Союза, на огромных территориях которого им было открыто множество формообразовательных центров культурных растений.
В 1926 году Вавилов был удостоен премии им. В. И. Ленина. В 1940 году получил Большую золотую медаль ВСХВ. В 1939 году, на VII генетическом конгрессе в Эдинбурге, куда Вавилов, к сожалению, уже не смог поехать, его научные заслуги были отмечены тем, что он единогласно был избран почетным президентом конгресса. Профессор Крю, накинув на себя мантию президента, обратился к собравшимся в зале ученым со следующими словами: «Вы пригласили меня играть роль, которую так украсил бы именно Вавилов. Эта мантия мне не по плечу. Я буду выглядеть в ней неуклюже. Вы не должны забывать, что она сшита на Вавилова, куда более крупного человека».
Трудно указать, где кончаются ботанические исследования Вавилова и где начинаются чисто растениеводческие. Так же трудно указать границу между его трудами растениеводческого и генетического характера. Решая растениеводческие задачи, Вавилов одновременно подымал глубочайшие проблемы генетики. На всех его работах лежит печать оригинальности. Обрабатывая итоги многочисленных экспедиций, он издал капитальный труд «Центры происхождения культурных растений» (1926) и множество работ, не слишком объемных, но важных теоретически – «Географические закономерности в распределении генов культурных растений» (1927), «Учение о происхождении культурных растений после Дарвина» (1940) и многие другие. Особо можно указать на работу «Линнеевский вид как система», в которой Вавилов раскрыл содержание сложного биологического понятия – вид, о котором так бурно и долго спорили биологи.
Для испытания многих тысяч форм растительных культур, собранных в самых разных уголках земного шара, Вавилов организовал специальные «географические» посевы, расположенные в 116 точках различных почвенно-климатических зон Советского Союза.
Заслуги Вавилова в биологии были столь велики, что едва ли не любое научное общество мира считало честью оказать ему тот или иной знак внимания. Он являлся членом Международного агрономического института в Риме, Королевского общества в Лондоне, Шотландской академии в Эдинбурге, Академии наук в Галле, Всеиндийской Академии наук, Американского ботанического общества, Географического общества Нью-Йорка, Садоводческого общества в Лондоне, Брионского университета (Чехословакия), Софийского университета и многих других.
Казалось бы, полнокровная, насыщенная событиями жизнь.
Выпала она, к сожалению, на бурную эпоху перемен.
К началу 30-х годов в Советском Союзе начались бесконечные дискуссии во всех областях науки, искусства и литературы. Это были резкие, часто даже неправомерно резкие дискуссии. Утверждая свою силу, новая власть не останавливалась ни перед какими мерами воздействия на тех ученых или деятелей искусства и литературы, которые выходили за рамки, обозначенные властью. Чем талантливей, чем оригинальнее был ученый, тем резче с ним могли обойтись.
Именно в те годы на научной арене впервые появился Т. Д. Лысенко.