Ознакомившись с научными изысканиями Де Фриза, Н. В. Вавилов, вернувшись в Россию в конце марта 1922 года выступил за вовлечение науки в создание сортовых ресурсов страны, продолжил расширение Отдела прикладной ботаники, стремясь превратить его в крупный центр сельскохозяйственной науки, приглашал учёных из других городов. Работа была направлена на выявление мирового разнообразия культурных растений с целью его дальнейшего использования для нужд страны.
Отдел прикладной ботаники и селекции в 1924 был реорганизован во Всесоюзный институт прикладной ботаники и новых культур, а в 1930 во Всесоюзный институт растениеводства (ВИР), руководителем которого Николай Иванович оставался до августа 1940.
С 1924 по 1927 год был проведён ряд внутрисоюзных и зарубежных экспедиций Афганистан (Н. В. Вавилов вместе с Д. Д. Букиничем первыми из европейцев проникли в Нуристан высокогорную провинцию Афганистана, в то время закрытую для иноземцев), Средиземноморье, Африка, в ходе которых учёный продолжал пополнять коллекцию образцов и изучение очагов возникновения культурных растений.
Н. И. Вавилов в воспоминаниях отмечал, что: «путешествие было, пожалуй, удачное, обобрали весь Афганистан, пробрались к Индии, Белуджистану, были за Гиндукушем. Около Индии добрели до финиковых пальм, нашли прарожь, видел дикие арбузы, дыни, коноплю, ячмень, морковь. Четыре раза перевалили Гиндукуш, один раз по пути Александра Македонского. Собрал тьму лекарственных растений». Отчёт об экспедиции объёмом 610 страниц стал основой книги «Земледельческий Афганистан», написанной им совместно с Д. Д. Букиничем.
За экспедицию в Афганистан Географическое общество СССР присудило Николаю Вавилову золотую медаль имени Н. М. Пржевальского «за географический подвиг». В 1925 году последовали экспедиции в Хивинский оазис и другие сельскохозяйственные районы Узбекистана. В последующие годы Н. И. Вавилов совершил экспедицию по странам Средиземноморья. Исследовательские работы им были проведены в Алжире, Тунисе, Марокко, Ливане, Сирии, Палестине, Трансиордании, Греции, Италии, Сицилии, Сардинии, Крите, Кипре, южной части Франции, Испании, Португалии, затем во Французском Сомали, Абиссинии и Эритрее. На обратном пути учёный ознакомился с земледелием в горных районах Вюртемберга (Германия). Караванные и пешие маршруты в этой экспедиции составили около 2 тысяч км. Собранный семенной материал, исчислялся тысячами образцов.
Ещё в середине 1920-х годов Н. В. Вавилов сформулировал представления о географических центрах происхождения культурных растений, а в 1926 году он опубликовал труд: «Центры происхождения культурных растений», за который ему была присуждена Премия имени В. И. Ленина. Теоретический труд учёного дал научную основу для целенаправленных поисков полезных растений, был использован в практических целях.
В 1927 году Н. В. Вавилов выступил на V Международном генетическом конгрессе в Берлине с докладом «О мировых географических центрах генов культурных растений», на конференции экспертов по сельскому хозяйству в Международном аграрном институте в Риме с докладом «Географические опыты по изучению изменчивости культурных растений в СССР». Конференция приняла решение присудить Николаю Ивановичу Золотую медаль за его работы по географическим посевам и постановила ввести географические посевы по системе Вавилова в мировом масштабе.
Как отмечает историк В. Д. Есаков: «Длительное отсутствие научного руководителя, вызванное проведением экспедиции в страны Средиземноморья, в которой Вавилов пробыл с июня 1926 по август 1927 года, привело к критике избранных исследовательских направлений, к упрёкам в отрыве от практики». В результате, Н. И. Вавилов ставит вопрос об отходе от руководства институтом, считая, что: « экспедиции Института во все части земного шара я считаю гордостью, а не академической прихотью, как это было заявлено на одном из заседаний, и не сомневаюсь, что в истории агрономических исследований они будут поставлены нашему учреждению на плюс, а не на минус». В 1929 году Вавилов с целью изучения особенностей сельского хозяйства совершил экспедиции в страны Восточной Азии: вместе с М. Г. Поповым в северо-западную часть Китая Синьцзян, а в одиночку в Японию, на Тайвань и в Корею.
В 1929 году он был назначен президентом Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени В. И. Ленина (ВАСХНИЛ), организованной на базе Государственного института опытной агрономии, который Вавилов возглавлял с 1923 года. Здесь он направил свою энергию на организацию системы научных институтов сельскохозяйственного профиля. За первые три года работы Вавилова на этом посту были созданы институты зернового хозяйства на Северном Кавказе, в Сибири, на Украине и юго-востоке европейской части страны, появились институты овощного хозяйства, плодоводства, прядильных лубо-волокнистых растений, картофельного хозяйства, риса, виноградарства, кормов, субтропических культур, лекарственных и ароматических растений и другие всего около 100 научных учреждений. Всесоюзный институт растениеводства стал одним из головных институтов новой академии.
В 1930 году, Н. И. Вавилов возглавил Генетическую лабораторию АН СССР в Ленинграде, а вскоре она была преобразована в Институт генетики АН СССР, который он возглавлял с 1934г. до 1940г., вплоть до своего ареста.
В 1930 году учёный организовал II Международный конгресс почвоведов в Москве, участвовал (по приглашению Корнельского университета, США) в Международной конференции по сельскохозяйственной экономике, а после неё совершил экспедицию по американскому континенту: он объехал все южные штаты США от Калифорнии до Флориды, пересёк двумя маршрутами горные и равнинные районы Мексики, Гватемалу.
На V Международном ботаническом конгрессе, проведённом в 1930 году в Кембридже, учёный выступил с докладом «Линнеевский вид как система». Он выступал также на IX Международном конгрессе по садоводству в Лондоне.
В начале 1930-х годов, будучи уже академиком и крупным научным руководителем, Н. И. Вавилов поддержал работы молодого агронома Т. Д. Лысенко, сотрудника Всесоюзного института селекционного воздействия низких положительных температур на семена. В 1931 году на совещании в Наркомземе Вавилов выступил с докладом «Новые пути исследовательской работы по растениеводству», в котором был затронут вопрос об исследовании вегетационного периода растений и возможного сокращения этого периода. Были упомянуты работы Х. А. Алларда и В. В. Гарнера, Г. С. Зайцева, в том числе Т. Д. Лысенко (из генетического института в Одессе) по яровизации превращению озимых культур в яровые путём предпосевного. Преимуществом его экспериментов Николай Иванович считал возможность управления продолжительностью вегетационного периода и что предложенный метод будет эффективным в селекции, что позволит полнее использовать мировую коллекцию полезных растений ВИРа для выведения путём гибридизации высокопродуктивных, устойчивых к заболеваниям, засухе и холоду культурных растений. В частности, одним из главных преимуществ яровизации Вавилов считал её потенциальное использование в селекционных работах как возможное средство синхронизации цветения растений, которые не вызревали в климате Советского Союза (проблема, которую пытался решить коллектив Вавилова).
Выступая на VI Международном генетическом конгрессе в США в 1932 году, Н. И. Вавилов заявил, что: «замечательное открытие, недавно сделанное Т. Д. Лысенко в Одессе, открывает новые громадные возможности для селекционеров и генетиков Это открытие позволяет нам использовать в нашем климате тропические и субтропические разновидности»
В 1932 году Н.И.Вавилова избрали вице-президентом VI Международного конгресса по генетике, проведённого в Итаке. На нём была представлена коллекция ВИРа, собранная во время последней американской экспедиции. После конгресса он объехал ряд провинций Канады и затем полгода обследовал земледельческие районы стран Центральной и Южной Америки: Сальвадора, Коста-Рики, Никарагуа, Панамы, Перу, Боливии, Чили, Аргентины, Уругвая, Бразилии, Тринидада, Кубы, Пуэрто-Рико и других, всего 17 стран.
В итоге были опубликованы: «Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции», начали издаваться многотомные сводки «Культурная флора СССР» и «Биохимия культурных растений», было издано руководство «Теоретические основы селекции растений» (1935), «Руководство по апробации сельскохозяйственных культур», большое количество сборников и монографий. Н. В. Вавилов создал целую школу исследователей культурных растений, заслужившую признание в мировой науке.