Еще заполняя пустующие клетки гомологических рядов, Вавилов пришел к мысли о существовании центров происхождения культурных растений. На основе своей все пополняющейся коллекции он определил, что на Земле существует пять таких центров: горные районы Юго-Западной и Юго-Восточной Азии, Средиземноморье, Горная Абиссиния (Эфиопия), Южная и Центральная Америка. В 1926 г. Вавилов изложил результаты исследований о происхождении культурных растений в различные эпохи древнейшего и древнего мира в своей второй важнейшей работе «Центры происхождения культурных растений». Впоследствии границы этих очагов расползания растений уточнялись, добавились три новых очага. Эти свои искания Николай Иванович называл «философией» и уверенно (и, как оказалось, абсолютно верно) заявлял, что «ботаник может поправить историка и археолога». Входившие в кабинет директора сотрудники часто заставали своего начальника лежащим на полу на большой географической карте. Но путешествовал он не только мысленно. Вавилов снаряжал экспедиции во все доступные уголки (представителей СССР не везде пускали), да и сам стал знаменитым путешественником.
В 1924 г. Николай Иванович вновь посетил основные земледельческие районы Афганистана, откуда привез рукопись объемом в пятьсот страниц с приложением большого числа фотографий и рисунков, более семи тысяч образцов семян и колосьев культурных растений, около тысячи листов гербария. За это поистине героическое путешествие Вавилов получил золотую медаль им. Пржевальского «За географический подвиг», а в 1931 г. Всесоюзное географическое общество избрало его своим президентом. В путешествиях ему очень помогало знание около 20 иностранных языков, а также умение легко находить общий язык с разными людьми.
Так, когда в 1927 г. Вавилов приступил к изучению Средиземноморского очага и запланировал поездки в Алжир, Тунис, Марокко, Ливан, Сирию, Грецию, Палестину, Италию с островами, южную часть Франции, Португалию, Испанию, Эфиопию и Эритрею, то оказалось, что официальным путем получить визы невозможно. Однако маркиза де Вильморен лично посетила Пуанкаре и Бриана, а в своем прошении им написала: «Я ручаюсь за Вавилова, как за себя. Он сделал многое для Вильморенов. Исследования его имеют мировое значение. И Франция от них получит не менее других». Все намеченные районы Николай Иванович исследовал за полтора года и отовсюду отправлял в институт сотни посылок с семенным материалом. После прочитанной в Тель-Авиве лекции он писал жене: «Здесь теперь мне не стало