Обґрунтував вчення про імунітет рослин, відкрив закон гомологічних рядів у спадковій мінливості організмів. Зробив суттєвий внесок у розробку вчення про біологічний вид. Під керівництвом Вавілова була створена найбільша у світі колекція насіння культурних рослин.
