Вавилов – основоположник учения об иммунитете растений к инфекционным заболеваниям, он продолжил общее учение об иммунитете, развитое Ильей Ильичем Мечниковым (1845–1916).

В 1920–1930-е годы Вавилов был участником и организатором множества экспедиций по сбору культурных растений. Побывал в Афганистане, Японии, Китае, в странах Центральной и Южной Америки, Северной Африки, Ближнего Востока, Средиземноморья, ездил в Эфиопию, Эритрею и другие страны. После этого в 1933году отправился в различные регионы СССР. В результате всех этих экспедиций была собрана богатейшая коллекция образцов растений (к 1940 году она содержала около 200 тысяч форм).

В основе всей работы лежала идея Вавилова о необходимости «переписи» сортов всех культурных растений. Он предлагал хранить собранные экземпляры не в засушенном виде, а живыми, ежегодно высеваемыми. Ученый организовал также так называемые географические посевы – ежегодно около двухсот культурных растений высевались в различных климатических и почвенных условиях, число опытных станций достигло 115-ти.

Начиная с середины 1930-х годов, главным образом после известной IV сессии ВАСХНИЛ в декабре 1936 года, Вавилов стал главным и наиболее авторитетным оппонентом Лысенко и других представителей «агробиологии Тимирязева – Мичурина – Лысенко», обещавших быстрое восстановление сельского хозяйства путем «воспитания» растений.

Трудно и вообразить, каких бы еще успехов в биологии достиг Вавилов, если бы он не жил в самое зловредное советское время и если бы на пути у него не оказался его антипод – фанатичный и невежественный Лысенко. И катастрофа – для Вавилова лично, для русской и мировой науки – разразилась!

Лысенко считал генетику бредом. Какие там гены! Изменить наследственные свойства сельскохозяйственных растений можно, полагал он, под непосредственным влиянием условий существования. Это соответствовало известному лозунгу Мичурина: «Мы не можем ждать милостей от природы. Взять их у нее – наша задача!»

Такой подход вполне соответствовал убежденности большевиков в возможности революционной перестройки не только общества, но и природы. И общественное мнение было на стороне Лысенко.

Вавилов говорил, что нужно провести огромную научную работу, чтобы на ее основе поднять урожаи. А Лысенко утверждал, что берется сделать все это за пару лет. И собирался повысить урожайность в 5 раз! Это было вранье, но оно обнаружилось лишь тогда, когда началась жестокая война с фашизмом.

В августе 1932 года в Итаке (США) собрался VI Международный генетический конгресс. Вавилова избрали вице-президентом конгресса. Это была его последняя поездка за рубеж. Следующий VII конгресс решено было, учитывая заслуги Вавилова в генетике, провести в СССР, в 1937 году. Его президентом избрали Вавилова. Но конгресс был запрещен советскими властями.