Budoucí průkopník genetiky pocházel z rodiny se sedmi dětmi, z nichž tři zemřely v dětství. Mladší Vavilovův bratr Sergej Vavilov (1891 – 1951), budoucí fyzik a akademik, bojoval v první světové válce. Starší sestra Alexandra (1886 – 1940), lékařka, v Moskvě organizovala sanitární a hygienické systémy. Mladší sestra Lydia (1891 – 1914), mikrobioložka, zemřela na neštovice, kterými se nakazila během expedice. A Nikolaj Ivanovič Vavilov se rozhodl věnovat biologii a genetice.
O přírodní vědy se zajímal od dětství a pozoroval svět zvířat a rostlin. K pochopení mu pomáhala otcova velká knihovna. Na otcovo přání navštěvoval obchodní školu v Moskvě a Zemědělský institut, kde se setkával s vynikajícími vědci. Roku 1910 absolvoval agronomickou praxi a prezentoval se přednáškou „Darwinismus a experimentální morfologie“. Jako genetik vycházel z vynikajících objevů Gregora Mendela a jeho následovníků.
Dal si velký cíl. Toužil v Rusku a později v SSSR nasytit miliony lidí, proto cestoval všude možně po světě a hledal rostliny, které by to dokázaly. Pod jeho vedením byla vytvořena největší sbírka semen pěstovaných rostlin na světě a položil základy systému státního testování odrůd polních plodin.
V roce 1913 byl Vavilov poslán do zahraničí, Německa a Anglie, aby si rozšířil vzdělání a kde se také setkal s význačnými vědci v oboru genetiky. V roce 1915 začal studovat odolnost rostlin proti chorobám a také složil magisterské zkoušky. Diplomovou práci „Imunita rostlin na infekční nemoci“ v roce 1918 neobhájil, ale jen proto, že v říjnu bolševická vláda zrušila akademické tituly. V Saratově byl profesorem na agronomickém oddělení univerzity (1917 – 1921). V té době podnikl studijní výpravu do jihovýchodního evropského Ruska.
Bylo mu umožněno zúčastnit se konference o obilovinách (19. – 22. 7. 1921), když ho pozvala Americká fytopatologická společnost, ale průtahy s cestovními doklady způsobily, že mohl ještě s jedním kolegou odjet až 25. července, kdy už bylo po konferenci. Během tříměsíční cesty po USA ale i tak společně navštívili přední genetické laboratoře, seznámili se s nejnovější literaturou a mnohými vědci. Domů se sovětští vědci vraceli přes Anglii, Francii, Německo, Holandsko, Švédsko a Dánsko, kde se rovněž setkávali se slavnými genetiky a chovateli. V letech 1924 – 1927 Vavilov uskutečnil výpravy do Afghánistánu, Středomoří a Afriky, kde se zabýval sběrem vzorků pěstovaných rostlin. Následovaly pak cesty do Číny a Japonska. Přednášel s velkým úspěchem v Berlíně a v Londýně. V roce 1929 byl Vavilov zvolen řádným členem Akademie věd SSSR a jmenován členem představenstva lidového zemědělského komisaře (tj. ministra).
Začátkem 30. let se mu ale dařit přestalo. V roce 1934 přišel zákaz cestování do zahraničí a byla zrušena oslava 25. výročí jeho vědecké práce. V letech 1933 – 1937 intervenoval za propuštění 44 vědců z výkonu trestu odnětí svobody. Mohl si to dovolit, protože jako jeden z předních vědců SSSR se často setkával se Stalinem. Jejich první setkání se konalo 15. 3. 1929 na jedné z konferencí, k poslednímu došlo v noci z 20. na 21. 11. 1939.
Místo pozdravu mu tehdy Stalin řekl: „No, občane Vavilove, budete se i nadále zabývat květinami, okvětními lístky, chrpami a dalšími botanickými cetkami? A kdo se bude podílet na zvyšování výnosu zemědělských plodin?“ Vavilov byl nejprve ohromen, ale poté, když se vzpamatoval, začal mluvit o povaze výzkumu prováděného v ústavu a jeho významu právě pro zemědělství. Protože ho Stalin nevybídl, aby se posadil, Vavilov ve stoje přednesl přednášku o virových onemocněních rostlin. Během této přednášky Stalin chodil sem a tam s dýmkou v ruce a bylo jasné, že ho to vůbec nezajímá. Nakonec se Stalin zeptal: „To je všechno, občane Vavilove? Do toho. Jste volný“. To už bylo jasné, že nepřátelství vůdce k vědci se blíží svému vrcholu.
V červenci 1940 došlo k setkání Vavilova s Lysenkem kvůli jedné dizertační práci o genetice, kterou Lysenko nechtěl připustit k obhajobě a trval na svém i přes Vavilovovu intervenci. Když Vavilov odcházel, práskl dveřmi. Jedna z vědeckých pracovnic, které stály u dveří, druhé řekla, že teď Vavilova zavřou, protože řekl Lysenkovi, strašnou věc: „Vaší zásluhou zaostala naše země za všemi ostatními.“
Tvrdil to proto, že „vědec“ Trofim Lysenko (1898 – 1976) vedl boj proti genetice a tvrdil, že to celé je jeden podvrh. Rozhodující byla podle jeho názoru intenzita podnětů, kterým jsou živé organismy vystaveny, a na základě nich se mění jak ony samy, tak i jejich vlastnosti. Proto mohou například krávy dojit fialové mléko, pokud by je k tomu někdo vhodně stimuloval.
Přivedl divokou zvěř do měšťanských domácností. Od narození Alfreda Brehma dnes uplynulo již 190 let
Lysenko měl úzký vztah s Josifem V. Stalinem, takže pro něj nebyl problém u Stalina zařídit, aby byl Vavilov roce 1940 zatčen. Konkrétní obvinění proti Vavilovovi potom znělo, že svými genetickými experimenty zavinil hladomor ve třicátých letech 20. století, i když ve skutečnosti jej způsobil sám Stalin, když nařídil rolníkům nereálné odvody vypěstovaných plodin, aby tím zlomil jejich odpor proti kolektivizaci zemědělství.
Jeho soudní proces trval pět minut a Vavilov byl odsouzen k nuceným pracím v gulagu na Sibiři, kde na následky mučení, vyčerpání a hladu zemřel 26. ledna 1943. Lysenko na likvidaci Vavilova profitoval tím, že po něm převzal řízení genetického institutu. Vavilova druhá žena Jelena, rovněž bioložka, a jeho syn Jurij (nar. 1928 – 2018) byli za války evakuováni do Saratova, kde přežívali ve velké bídě. Přitom Vavilovova manželka nevěděla, že její manžel byl přesunut do vězení právě do Saratově. Takže když mu z toho mála, co se synem měli, posílala balíčky s potravinami do Moskvy, Vavilov je nikdy nedostal.
Po válce Jurij vystudoval atomovou fyziku a usiloval o očištění památky svého otce, což se mu nakonec podařilo. Zmařený život jednoho z nejlepších sovětských vědců to však samozřejmě nijak nahradit nemohlo.
