Своей узкой специальностью Н. И. Вавилов избрал изучение болезней растений, однако благодаря широкому научному кругозору он всесторонне охватил проблему, поставив основной задачей выведение для сельского хозяйства иммунных сортов культурных растений. Эту задачу нельзя было решить без разработки генетики иммунитета растений, и Николай Иванович первым в нашей стране начал широкие исследования в области прикладной генетики растений. Однако до революции эта работа базировалась лишь на его личном энтузиазме и энтузиазме нескольких добровольных сотрудников. Только в советское время Николай Иванович смог придать своим исследованиям действительно широкий размах.
Россия была аграрной страной с исключительно отсталым сельским хозяйством. Не только в техническом и организационном отношении крестьянское хозяйство стояло у нас намного ниже, чем в большинстве европейских стран, но и самый ассортимент возделываемых растений, селекция, семеноводство находились на весьма низком уровне, хотя и тогда уже многие местные стародавние русские и украинские сорта озимых и твердых пшениц, льна и других культур приобрели мировую славу и занимали миллионы гектаров в Канаде, США и других странах.
Однако научная селекция и правильное семеноводство в условиях старой России не получили необходимого развития, и сортовые посевы в тот период распространялись лишь в наиболее развитых хозяйствах.
Длительная война и разруха почти полностью ликвидировали те небольшие успехи отечественной селекции, которые были достигнуты в предшествующие годы. В этот тяжелый период, в самом начале 20-х годов, Николай Иванович Вавилов выдвинул смелый и глубоко продуманный план коренной реорганизации растительных ресурсов сельского хозяйства, поднятия уровня селекционной и семеноводческой работы и привлечения всего мирового богатства растительных ресурсов и включения всех достижений мировой науки и практики в селекционную обработку в нашей стране. В основе этого плана лежало созданное Н. И. Вавиловым учение об исходном материале в селекции.
Создание новых сортов селекционерами преследует весьма многообразные цели. Новый сорт, например пшеницы, должен обладать, по возможности, не только более высокой урожайностью, чем местные сорта, но и сочетать в себе и другие положительные свойства: засухоустойчивость, неполегаемость, неосыпаемость, равномерность созревания, приспособленность к местным условиям, устойчивость к болезням и вредителям, высокое содержание белка, хорошие хлебопекарные качества и т. д., и т. п. Создание этих свойств путем отбора — очень длительный путь. Более быстрой и эффективной является гибридизация сортов и форм, раздельно обладающих необходимыми свойствами, с последующим отбором из гибридного потомства необходимых сочетаний. Путем гибридизации и тщательного анализа ресщешшющихся форм возможно внедрение в создаваемый сорт именно тех качеств скрещивающихся пар, которые необходимы для создания лучшего сорта.
Отсюда понятна и необходимость универсального широкого исходного материала для селекционной работы — богатство свойств исходных форм дает селекционеру и растениеводу такие же возможности для творческой селекции, как богатство красок для творческой работы художника.
Николай Иванович Вавилов с группой своих сотрудников взялся за осуществление планов создания в СССР исходного материала для селекции интродукции, отражающего мировое разнообразие растительных форм. Он стремился не просто собрать этот исходный материал, но привести его в строгую систему, изучить его всесторонне физиологически, биохимически, ботанически, генетически и агрономически и сделать доступным для всех селекционных станций и селекционеров нашей страны.
При этом предполагалось выделить из обширных растительных фондов сорта, пригодные для непосредственного быстрого введения в практику, перспективные формы полевых, овощных и плодовых культур, что обещало быстрый и непосредственный практический эффект. Для осуществления этой задачи по инициативе Николая Ивановича Вавилова был создан Всесоюзный институт прикладной ботаники и новых культур (ВИПБ и НК), позднее переименованный во Всесоюзный институт растениеводства (ВИР) с широкой географической сетью опытных станций.
С середины двадцатых годов началось осуществление знаменитых экспедиций Н. И. Вавилова во все уголкн Советского Союза, а затем и во все основные центры мирового земледелия.
За короткий срок было организовано около 200 экспедиций, изучивших земледелие и растительные ресурсы 65 стран, и в Советский Союз было доставлено более 150 тысяч сортов, форм и видов культурных растений — все растениеводческое богатство, созданное человечеством за его многовековую историю. Была основана мировая коллекция культурных растений. В процессе работы Н. И Вавилов обнаружил наличие на земном шаре географических центров с разнообразием культурных растений и параллелизмом изменчивости близких видов и родов (закон гомологических рядов).