Первое свое самостоятельное исследование Н. Вавилов провел на кафедре зоологии и энтомологии – о голых слизнях, улитках, повреждающих озимые посевы и огородные растения. Работа была опубликована Московским губернским земством и удостоена премии Политехнического музея, а при окончании института зачтена Вавилову как дипломная.
Еще со студенческих лет Николай Иванович Вавилов проводил ежегодные научные экспедиции. В те годы он с рюкзаком исходил Северный Кавказ и Закавказье.
Ближайшим учителем Вавилова был знаменитый биолог Дмитрий Николаевич Прянишников. По его инициативе Вавилов занялся изучением селекции растений, а после окончания академии переехал в Петербург, где начал работать в Бюро прикладной ботаники.
В 1912 г. Вавилов женился на Екатерине Николаевне Сахаровой. Они вместе учились в институте, вместе проходили практику на Полтавщине. Катя родилась и воспитывалась в семье сибирского купца. Мечтала, едва ли не с детских лет, стать агрономом. Молодые поселились в одном из двух флигелей отцовского дома. Свадебного путешествия не было. Молодой супруг уже установил для себя свой, вавиловский режим. Его редко видели в уютном флигеле на Средней Пресне. Лишь по ночам, почти до рассвета, светилось его окно.
В 1913 г. Н.И. Вавилов отправляется в Англию и проводит несколько месяцев в лаборатории знаменитого биолога У. Бетсона. С ним вместе за рубеж отправилась и жена.
Вавилов провел в Англии около года. В Мертоне и на ферме Кембриджского университета он высеял привезенные с собой образцы пшеницы, овса и ячменя, уже исследованные им на иммунитет в институте в 1911–1912 гг.
Из Лондона Вавиловы отправились в Париж. Последним пунктом заграничной командировки была Германия, Йена, лаборатория известного биолога-эволюциониста Эрнста Геккеля, пропагандировавшего идеи Дарвина. Однако вскоре им пришлось прервать научную командировку и вернуться на родину, поскольку в Европе началась Первая мировая война. Николая Ивановича призывная комиссия от службы в армии временно освободила. Еще в школьные годы он повредил себе глаз.
В 1916 г. Вавилов посетил Северный Иран, Фергану и Памир. В этих путешествиях молодой ученый собрал интереснейший научный материал, который позволил ему сделать еще два крупных открытия – установить законы гомологических рядов и центры распространения культурных растений.
С 1917 г. Вавилов постоянно живет в Саратове, где преподает в университете. Его отец не признал новую власть, решив, что ни он ей не нужен, ни она ему. Собрал чемоданы, с которыми некогда ездил на ярмарки, и отбыл в Болгарию. А спустя несколько дней после отъезда Ивана Ильича, 7 ноября 1918 г., появился на свет его внук Олег Николаевич Вавилов. Только в 1926 г. Николай Иванович уговорил отца вернуться, и сразу увез его к себе в Ленинград. Екатерина Николаевна переехала с сыном к мужу в Саратов в 1919