С раннего детства Коля был предрасположен к естественным наукам. В числе его детских увлечений были наблюдения за животным и растительным миром. У отца была большая библиотека, в которой были редкие книги, географические карты, гербарии.
Из-за незнания латинского языка Николай не смог поступить в Московский университет, где требовалось сдать вступительный экзамен по латыни. По воле отца Николай поступил в Московское коммерческое училище, по окончании которого в 1906 году поступил в Московский сельскохозяйственный институт на агрономический факультет. Занимался он у таких учёных, как Н. Н. Худяков и Д. Н. Прянишников. В 1908 году он участвовал в студенческой экспедиции по Северному Кавказу и Закавказью, а летом 1910 года прошёл агрономическую практику на Полтавской опытной станции, получив, по собственному признанию, что для него: « это был импульс для всей дальнейшей работы». На заседаниях институтского кружка любителей естествознания Вавилов выступал с докладами «Генеалогия растительного царства», «Дарвинизм и экспериментальная морфология». За время обучения в институте склонность Н. Вавилова к исследовательской деятельности проявлялась неоднократно, итогом обучения стала дипломная работа о голых слизнях, повреждающих поля и огороды в Московской губернии. Она была удостоена премии Московского политехнического музея.
От брака с Екатериной Николаевной Сахаровой Вавилова В этом браке в 1918 году родился его первый сын Олег, который окончил физический факультет МГУ, защитил кандидатскую диссертацию, но вскоре после этого погиб при альпинистском восхождении на Кавказе.
В 1917 году в Саратове Николай Иванович познакомился со студенткой Еленой Барулиной, которая участвовала во многих инициативах своего учителя. Так, Елена Барулина принимала участие в экспедиции Вавилова по юго-востоку России, которая была организована в августе 1920 года. Сразу же после экспедиции Николай Вавилов принялся за книгу «Полевые культуры Юго-Востока», для которой Е. И. Барулина написала статью «Дыни Юго-Востока», она была биологом, доктором сельскохозяйственных наук, его единомышленником. Вскоре Елена Ивановна стала его женой. В этом браке родился (1928) второй сын, Юрий физик-ядерщик, доктор физико-математических наук, впоследствии много сделавший для поиска и публикации сведений об отце.
По окончании института в 1911 году Н. И. Вавилов был оставлен для подготовки к профессорскому званию на кафедре частного земледелия, которую возглавлял Д. Н. Прянишников. Был прикомандирован к Селекционной станции института, которой руководил селекционер Д. Л. Рудзинский, где начал исследование иммунитета культурных растений к паразитическим грибам. Одновременно преподавал в институте и на Голицынских высших женских сельскохозяйственных курсах.
С целью более широкого ознакомления с систематикой и географией культурных злаков и их болезней в течение 19111912 годов Николай Вавилов прошёл стажировку в Санкт-Петербурге, в Бюро прикладной ботаники, а также в бюро по микологии и фитопатологии.
В 1913 году Вавилов был направлен за границу для завершения образования. Во Франции в фирме Вильморенов он знакомился с новейшими достижениями селекции в семеноводстве, в Йене (Германия) работал в лаборатории Эрнста Геккеля, а в Мертоне (Англия) до 1914 года в генетической лаборатории Института садоводства имени Джона Иннеса под руководством одного из крупнейших генетиков того времени профессора Уильяма Бейтсона, где продолжил исследование иммунитета хлебных злаков, и в лаборатории генетики Кембриджского университета у профессора Реджиналда Паннета (англ. Reginald Punnett).
В 1915 году Николай Вавилов начал заниматься изучением иммунитета растений. Изданная в 1919 году монография «Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям» содержала критический анализ мировой литературы и результаты собственных исследований.
Из-за дефекта зрения (в детстве он повредил глаз) Вавилов был освобождён от военной службы, но в 1916 году его привлекли в качестве консультанта по вопросу массового заболевания солдат русской армии в Персии. Он выяснил причину заболевания, указав на то, что в местную муку попадают частицы семян плевела опьяняющего, а с ним гриб Stromatinia temulenta, который вырабатывает алкалоид темулин вещество, способное вызвать серьёзное отравление с возможным летальным исходом. Решением проблемы стал запрет на употребление местных продуктов, провизию стали завозить из России, в результате чего болезнь была остановлена.
Н. И. Вавилов, получив у военного руководства разрешение на проведение экспедиции, отправился вглубь Ирана, где занимался исследованием и сбором образцов злаков. Учёный пришёл к выводу, что иммунитет растений зависит от условий среды, в которой изначально формировался данный вид. зародились мысли о закономерности наследственной изменчивости. Он проследил изменения видов ржи и пшеницы от Ирана до Памира В результате он сделал вывод, что горные «изоляторы» вроде Памира служат очагами зарождения культурных растений.
В 1917 году Николай Иванович был избран помощником Р. Э. Регеля, заведующего Отделом прикладной ботаники, который признался, что: « в лице Вавилова мы привлечём в отдел прикладной ботаники молодого талантливого учёного, которым ещё будет гордиться русская наука». В том же году Н. И. Вавилов был приглашён возглавить кафедру генетики, селекции и частного земледелия саратовских Высших сельскохозяйственных курсов и в июле переехал в Саратов, где до 1921 года он был профессором агрономического факультета Саратовского университета. Наряду с чтением лекций учёный развернул экспериментальное изучение иммунитета различных сельскохозяйственных растений, в первую очередь хлебных злаков. Им было исследовано 650 сортов пшеницы и 350 сортов овса, а также другие, незлаковые, культуры; проведён гибридологический анализ иммунных и поражаемых сортов, выявлены их анатомические и физиологические особенности. Он начал обобщать данные, накопленные во время экспедиций и исследований. В 1919 году Н. И. Вавилов создал учение об иммунитете растений, раскрытого в изданной монографии «Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям».
В 1920 году Николай Иванович возглавляя оргкомитет III Всероссийского съезда по селекции и семеноводству в Саратове, выступил на нём с докладом «Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости». Доклад был воспринят слушателями как крупнейшее событие в мировой биологической науке.
В годы преподавания в Саратове он организовал изучение юго-восточных губерний европейской России (Астраханской, Царицынской, Самарской и Саратовской), послужившее основой для опубликования в 1922 году его книги «Полевые культуры Юго-Востока».
В 1920-е годы, по инициативе Николая Ивановича, была создана Народным комиссариатом земледелия РСФСР сеть опытных селекционных станций, явившихся отделениями Государственного института опытной агрономии. В 115 отделениях и опытных станциях, в различных почвенно-климатических условиях СССР от субтропиков до тундры и заполярного края шло изучение и испытание разных форм полезных растений.
В 1920 году Сельскохозяйственный учёный комитет, во главе с его председателем В. И. Ковалевским, избрал Николая Вавилова заведующим Отделом прикладной ботаники и селекции Комитета в Петрограде, и в январе 1921 года он почти со всеми своими саратовскими учениками покинул Саратов. Научная работа на новом месте началась с большим размахом. Постановлением Коллегии Наркомзема РСФСР в 1922 году Сельскохозяйственный учёный комитет был преобразован в многоотраслевой Государственный институт опытной агрономии (ГИОА), который в 1923 возглавил Н. И. Вавилов. Задачами института стали исследование важнейших проблем сельского хозяйства, лесного дела и рыбоводства, усовершенствование системы земледелия, подбор культур и сортов, разработка способов борьбы с вредителями и болезнями, селекция домашних животных, почвенно-климатическое изучение территории РСФСР. Голод в Поволжье 19211922 годов заставил российских учёных изменить направление исследований.
Н. В. Вавилов и А. А. Ячевский получили от Американского Фитопатологического общества приглашения принять участие в Международной конференции по болезням хлебных злаков (1922 июля 1921 года, Северная Дакота, США). Во время поездки в США, продолжавшейся три месяца, Вавилов подготовил расширенный вариант закона гомологических рядов, который был опубликован в журнале «Journal of Genetics». Кроме того, во время той же поездки Вавилов основал в Нью-Йорке отделение Отдела прикладной ботаники, руководителем которого стал геоботаник, флорист и энтомолог Д. Н. Бородин В США Вавилов посетил ведущие генетические и селекционные лаборатории, ознакомился с новейшей литературой в библиотеках, вёл переписку с американскими учёными, сделал необходимые закупки, проведя аналогичную работу в Канаде. На обратном пути Николай Иванович посетил Англию, Францию, Германию, Голландию, Швецию и Данию, встречаясь в них с известными генетиками и селекционерами. Так, например, в 1922 году в Голландии он встретился с Гуго де Фризом (основателем мутационной теории).