В 1911 г. Николай окончил институт. Его лабораторная работа «Голые слизни (улитки), повреждающие поля и огороды Московской губернии» была засчитана как дипломная и после публикации удостоена премии Московского политехнического музея. Желаний и целей у Вавилова было так много, что он просто стоял на распутье. Талантливому выпускнику предложили остаться в институте на кафедре частного земледелия для подготовки к профессорскому званию (он получил его в 1914 г. в 27 лет) и прикомандировали к селекционной станции, где он сразу окунулся в опыты по исследованию иммунитета растений. В том же году Николай устроился на работу в Бюро прикладной ботаники в Санкт-Петербурге и начал преподавать на Высших Голицинских сельскохозяйственных курсах. А по ночам работал в лаборатории Бюро микологии и фитопатологии, стремясь объять необъятное и совместить несовместимое.
Общительный, веселый, красивый, вездесущий Николай был совершенной противоположностью своей молодой жене. По нему тайно вздыхала половина институток, а он выбрал некрасивую, замкнутую, однако очень решительную Екатерину Николаевну Сахарову. Она была прекрасно образована, но не по-женски расчетлива и холодна. Однако в ней было то, чего так не хватало Вавилову на первых порах, — умение сделать выбор и идти к единственной цели, а посему Катя стала ему надежной опорой. Его занятия в это время были расписаны по «получасам», запредельные нагрузки Николай переносил с азартной неистовостью, работая по 18 часов в сутки. И это не осталось незамеченным. Талантливому ученому было поручено выступить с актовой речью на Голицынских курсах (1912 г.). Он поразил высокую аудиторию не только редкостной по тем временам темой «Генетика и ее отношение к агрохимии», но и глубиной охвата материала. Несколько позже эта речь была издана отдельной брошюрой.
Вавилов был увлечен проблемой влияния условий среды на восприимчивость растений к заболеваниям. Для более глубокого изучения этой темы в 1913 г. его командировали в Англию к «первому апостолу нового учения», одному из основателей генетики Уильяму Бэтсону. Для молодого ученого это стало «Меккой и Мединой», хотя он и не принял слепо теорию «развертывающегося клубка». В течение года Вавилов завершил работу над статьей об иммунитете растений к грибковым заболеваниям и опубликовал ее в журнале, основанном Бэтсоном. На следующий год Николай Иванович познакомился с работами крупнейшей семеноводческой фирмы Вильморенов во Франции, затем отправился в Германию к известному биологу-эволюционисту Эрнсту Геккелю. Здесь его и застала Первая мировая война, и он с трудом добрался в Россию, где продолжил изучение проблем иммунитета. При этом Вавилов стремился охватить все разнообразие растений: от злаков он перешел к бобовым, плодовым и огородным культурам, наблюдал за виноградом, льном и розами.
Рутинная исследовательская работа никогда не казалась ему скучным и изнурительным делом. Он успел изучить «только» 350 сортов овса и 650 — пшеницы, а также пережил «роман с персидской пшеницей», когда в 1916 г. военное ведомство отправило его в Иран для выяснения причин массового отравления русских солдат хлебом. Вопрос этот Вавилов разрешил моментально, установив, что пшеница сильно засорена ядовитым плевелом. На этом официальная миссия ученого завершилась, и оставшееся время он использовал для исследования Ирана, Памира и Персии, пытаясь найти родину персидской пшеницы. Одновременно ученый искал формы и сорта с полезными для человека свойствами — рожь с крупными колосьями и зерном, пшеницу, которую не поражают болезни. Из поездки Вавилов привез множество растений, пополнивших его и без того уже большую коллекцию, и абсолютное убеждение в «поразительной концентрации богатств разновидностей пшеницы по мере приближения к древним очагам земледельческой культуры». Это стало первым шагом к исследованиям растительных ресурсов планеты. Здесь Вавилов был первооткрывателем, потому что до него никто целенаправленно этим вопросом не занимался. Ему хотелось продолжить свои исследования в Афганистане, Африке, Абиссинии, Судане, но война, а вслед за ней революция надолго отодвинули задуманные экспедиции.