Trong khi phát triển học thuyết của mình về các trung tâm nguồn gốc giống cây trồng, Vavilov đã tổ chức một loạt các chuyến khảo sát nông học-thực vật học. Vavilov được coi là một trong những nhà địa lý thực vật tiên phong nhất thời kỳ đó. Để khảo sát các trung tâm nông nghiệp lớn tại Nga và ở ngoại quốc, Vavilov đã tổ chức và tham gia trong 110 cuộc sưu tập. Các chuyến khảo sát chính của ông diễn ra tại Iran (1916), Hoa Kỳ, Trung và Nam Mỹ (1921, 1930, 1932), Địa Trung Hải và Ethiopia (1926-1927). Ông đã được trao huy chương vàng N.M.Przhevalskii của Hiệp hội địa lý Nga cho cuộc khảo sát tới Afghanistan năm 1924.[4]. Ông thu thập hạt giống từ mọi nơi ông đến, và tạo ra tại Leningrad bộ sưu tập lớn nhất thế giới về hạt thực vật.[5] Ngân hàng hạt này đã được bảo vệ một cách diệu kỳ ngay cả trong thời kỳ vây hãm Leningrad kéo dài 28 tháng, mặc dù bị đói nhưng các cộng sự của Vavilov đã chịu chết đói để bảo vệ các kho hạt có thể ăn được này. Vavilov cũng đưa ra công thức cho quy luật dãy đồng đẳng trong đột biến di truyền.[6]

Ông là thành viên của Xô viết tối cao Liên Xô, chủ tịch Hiệp hội địa lý Liên Xô và là người nhận huân chương Lenin. Trong phần lớn sự nghiệp của mình, Vavilov đã được hỗ trợ rất nhiều từ người phó của mình là Georgy Balabajev.

Vavilov nhiều lần phê phán các khái niệm phi-Mendel của Trofim Denisovich Lysenko. Kết quả là Vavilov đã bị bắt ngày 2 tháng 8 năm 1942 và chết trong tù vì thiếu dinh dưỡng đầu năm 1943 tại Saratov. Một phần lớn các mẫu gen của ông đã bị đội thu thập khoa học đặc biệt của Đức quốc xã lấy đi năm 1943, và được chuyển tới Viện di truyền học thực vật của SS, đặt tại lâu đài Lannach gần Graz, Áo.[7] Tuy nhiên, đội này chỉ lấy được các mẫu lưu trữ tại vùng lãnh thổ bị quân Đức chiếm đóng, chủ yếu tại Ukraina và Krym. Ngân hàng gen chính tại Leningrad không bị ảnh hưởng. Người lãnh đạo của đội thu thập khoa học đặc biệt của Đức là Heinz Brücher (1915-1991), một quan chức SS, đồng thời cũng là một chuyên gia về di truyền học thực vật.

Hiện nay, Viện trồng trọt toàn Nga mang tên Vavilov ở St. Peterburg vẫn là một trong những bộ sưu tập lớn nhất thế giới về vật liệu di truyền học thực vật.[8] Viện này bắt đầu như là Phòng thực vật học ứng dụng năm 1894 và được tổ chức lại năm 1924 thành Viện Nghiên cứu Thực vật học ứng dụng và giống cây trồng mới Liên Xô, năm 1930 thành Viện Nghiên cứu trồng trọt Liên Xô. Vavilov là giám đốc viện này từ 1921 tới 1940. Năm 1962, Viện mang tên ông nhân dịp kỷ niệm 75 năm ngày sinh của Vavilov.

Các cuộc khảo sát chính

• 1916: Khảo sát tại Iran (Hamadan và Khorasan) và Pamir (Shungan, Rushan và Khorog).
• 1921: Chuyến đi làm quen tới Canada (Ontario) và Hoa Kỳ (New York, Pennsylvania, Maryland, Virginia, Bắc và Nam Carolina, Kentucky, Indiana, Illinois, Iowa, Wisconsin, Minnesota, Bắc và Nam Dakota, Wyoming, Colorado, Arizona, California, Oregon, Maine).
• 1924: Khảo sát tại Afghanistan (Herat, Afghan Turkestan, Gaimag, Bamian, Hindu Kush, Badakhshan, Kafiristan, Jalalabad, Kabul, Herat, Kandahar, Baquia, Helmand, Farakh, Sehistan), cùng D.D. Bukinich và V.N. Lebedev.
• 1925: Khảo sát tại Khoresm (Khiva, Novyi Urgench, Gurlen, Tashauz).
• 1926-1927: Khảo sát tại các quốc gia và vùng lãnh thổ ven Địa Trung Hải (Pháp, Syria, Palestine, Transjordan, Algérie, Maroc, Tunisia, Hy Lạp, Sicilia, Sardinia, Síp, Crete, Italia, Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha, Ai Cập, trong đó Gudzoni được khảo sát theo yêu cầu của Vavilov) và tại Abyssinia (Djibouti, Addis Ababa, hai bờ sông Nin, hồ Tsana), Eritrea (Massaua) và Yemen (Hodeida, Jidda, Hedjas).
• 1927: Khảo sát khu vực miền núi tại Württemberg, Bayern (Đức).
• 1929: Khảo sát tại Tân Cương, Trung Quốc (Kashgar (Khách Thập), Uch-Turfan (Ô Thập), Aksu (A Khắc Tô), Kucha (Khố Xa), Urumchi (Ô Lỗ Mộc Tề), Kulja hay Yining (Y Ninh), Yarkand (Sa Xa), Hotan (Hòa Điền)) cùng M.G. Popov, sau đó một mình tại Đài Loan, Nhật Bản (Honshu, Kyushu, Hokkaido) và Triều Tiên.
• 1930: Khảo sát tại Hoa Kỳ (Florida, Louisiana, Arizona, Texas, California), México, Guatemala và Honduras.
• 1932-1933: Chuyến đi tới Canada (Ontario, Manitoba, Saskatchewan, Alberta, British Columbia), Hoa Kỳ (Washington, Colorado, Montana, Kansas, Idaho, Louisiana, Arkansas, Arizona, California, Nebraska, Nevada, New Mexico, Bắc và Nam Dakota, Oklahoma, Oregon, Texas, Utah); khảo sát tại Cuba, Mexico (Yucatan), Ecuador (Cordilleras), Peru (hồ Titicaca, núi Puno, Cordilleras), Bolivia (Cordilleras), Chile (sông Panama), Brasil (Rio de Janeiro, Amazon), Argentina, Uruguay, Trinidad và Puerto Rico.
• 1921-1940: Các khảo sát hệ thống tại phần châu Âu của Nga và các khu vực tổng thể của vùng Kavkaz và Trung Á.

Các danh hiệu khoa học

N.I.Vavilov là thành viên danh dự của:

• Hiệp hội thực vật học ứng dụng Anh
• Hiệp hội các nhà thử nghiệm thiên nhiên Tây Ban Nha
• Hiệp hội thực vật học Mỹ
• Hiệp hội làm vườn London

Cũng như

• Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Argentina
• Viện sĩ thông tấn Viện Hàn lâm Khoa học Scotland
• Viện sĩ thông tấn Viện Hàn lâm Khoa học Đức