Nikolai Ivanovich Vavilov sinh ra trong một gia đình thương nhân giàu có làm nghề buôn bán giày dép tại Moskva. Cha ông là đại biểu duma thành phố Moskva. Ông là anh trai của nhà vật lý Xô viết nổi tiếng Sergey Ivanovich Vavilov (1891-1951).

Ông tốt nghiệp Đại học Nông nghiệp Petrovsky (nay là Đại học Nông nghiệp quốc gia Nga mang tên K.A. Timiryazev) năm 1911 với luận văn về ốc sên như là một loại dịch hại. Từ năm 1911 tới năm 1912, ông làm việc tại Phòng thực vật học ứng dụng và tại Phòng nấm học và bệnh học thực vật. Từ 1913 tới 1914 ông sang Tây Âu và nghiên cứu miễn dịch học thực vật, cộng tác với nhà sinh học người Anh William Bateson (1861-1926), người sáng lập ra ngành di truyền học, ở Đại học Cambridge. Từ 1917 tới 1921, ông là giáo sư tại khoa Nông học Đại học Saratov.

Năm 1919, ông sáng tạo ra học thuyết về miễn dịch học thực vật. Năm 1920, ông lập ra công thức cho quy luật các dãy đồng đẳng trong đột biến di truyền. Khoảng giữa năm 1920, ông kết bạn với một nông dân trẻ tuổi là Trofim Denisovich Lysenko (1898-1976), người sau này là nguồn gốc dẫn tới cái chết thương tâm của ông. Từ 1921 tới 1924, ông là chủ nhiệm bộ môn thực vật học ứng dụng và chọn giống tại Leningrad. Trong năm 1924, bộ môn này được tổ chức lại thành Viện Thực vật học ứng dụng và các giống cây trồng mới Liên Xô và tới năm 1930 thì viện này đổi tên thành Viện trồng trọt Liên Xô (VIR). Ông là giám đốc viện này từ khi ra đời tới tháng 8 năm 1940. Năm 1923, ông được bầu là viện sĩ thông tấn Viện Hàn lâm khoa học Liên Xô (AN) thuộc bộ phận các khoa học toán lý (nhóm sinh học). Năm 1926, được tặng thưởng huân chương mang tên V. I. Lenin. Năm 1928, ông được bầu là viện sĩ Viện Hàn lâm khoa học Liên Xô thuộc bộ phận các khoa học toán-lý (nhóm thực vật học).

Từ 1930 tới 1933 là người đứng đầu Phòng thí nghiệm di truyền học của AN tại Moskva. Từ 1931 tới 1940 là chủ tịch Hiệp hội địa lý Liên Xô. Từ 1933 tới 1940 đứng đầu Viện di truyền học của AN (thành lập trên cơ sở Phòng thí nghiệm di truyền học cũ). Năm 1940, bị bắt theo tố giác. Năm 1943, chết tại nhà tù do viêm phổi và suy dinh dưỡng.