В 1917 г. профессор Вавилов переехал в Саратов на должность рядового преподавателя сельскохозяйственных курсов (спустя год преобразованных в институт). На его лекции ломились не только студенты, но и научные работники смежных кафедр, агрономы, сотрудники селекционной станции. Именно здесь на кафедре частного земледелия и генетики зародилась школа, повернувшая в новое русло растениеводческую науку. И когда Вавилову предложили место помощника заведующего Отделом прикладной ботаники в Петрограде, он далеко не сразу решился оторваться от научных исследований. «У меня тьма своих дел: иммунитет, гибриды и некоторые ботанико-географические работы… Боюсь, я слишком свободолюбив в распределении своего времени». О его режиме работы ходили легенды, и вавиловская фраза, произносимая чаще всего после полуночи: «Жизнь коротка… Завтра в четыре утра.» — никогда не вызывала у подчиненных недовольства. Ведь профессор на опытном поле пахал, сеял, жал и вязал снопы наравне с лаборантами.
Но такой стиль жизни совершенно не устраивал его супругу. Брак не спасло даже рождение сына Олега. У Николая Ивановича появилась новая семья. Тихая, хрупкая, очень женственная студентка Леночка Барулина, которую профессор всегда именовал Еленой Ивановной, превратилась в преданного делу ученого и до конца дней стала для него верной женой, помощницей и подругой. У них подрастал сын Юра, но о своем первенце Вавилов никогда не забывал.
Годы, проведенные в Саратове, были невероятно плодотворными. Изучая иммунитет растений, ученый пришел к выводу, что в эволюционном развитии организмов нет хаоса и, несмотря на многообразие форм живого, изменчивость укладывается в определенные закономерности. Так появилась мысль о единстве многообразия — главная в вавиловском труде «Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости». Это открытие по своему значению в биологии равно периодической системе Менделеева в химии. Ведь недаром доклад Николая Ивановича на эту тему на III Всероссийском селекционном съезде в Саратове 4 июля 1920 г. был признан крупнейшим событием в мировой биологической науке, а профессор В. Зелинский кричал, перекрывая шум аплодисментов: «Биологи приветствуют своего Менделеева!»
В США на Мировом конгрессе по сельскому хозяйству (1921 г.) даже на фоне обостренных дипломатических отношений авторитет Вавилова и приоритет советской науки был принят безоговорочно, а к середине 1930-х гг. закон Вавилова стал азбучной истиной для всякого грамотного биолога. К своему удивлению, Николай Иванович понял, что большинство американских ученых вели разрозненные исследования вслепую. Единственным, кто целенаправленно шел вперед, был Т. Морган. Во время пребывания в США Вавилов не только закупал маленькими порциями семена, собранные в дальних экспедициях «охотниками за растениями», но и приобретал огромные партии сортовых семян для голодающего Поволжья.
Еще перед поездкой в США Вавилов с группой саратовских сотрудников, которых именовали попросту «Вавилоном», все-таки переехал в Петроград, где возглавил Отдел прикладной ботаники. С этого момента началась его работа по организации сельскохозяйственной науки в стране. В 1922 г. Николай Иванович (к этому времени уже член-корреспондент Академии наук, а с 1929 г. — академик) стал во главе только что образованного Государственного института опытной агрономии, два года спустя занял пост директора Всесоюзного института растениеводства (ВИР). Он был и первым президентом Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени В. И. Ленина (ВАСХНИЛ). Под его руководством в стране возникли сотни селекционных станций и десятки крупных институтов зернового и картофельного хозяйства, овощеводства, кормов, хлопководства и др. За свой научный подвиг Вавилов в 1926 г. был в числе первых советских ученых удостоен премии им. В. И. Ленина. Со всех сторон к нему стекались лучшие специалисты — ботаники, физиологи, биохимики. Они сумели уловить закономерности в поведении одних и тех же сортов, попадающих в разные географические условия. За эти исследования Николай Иванович получил золотую медаль на Международном съезде в Италии, который постановил провести под его руководством географические опыты в мировом масштабе.