Su hermano mayor, Nikolái Vavílov (1887-1943) fue un famoso genetista ruso.
Sin embargo el hijo mayor, Nikolái, se dedicó a la genética botánica,[3] y el menor, Serguéi, ingresó en la Universidad de Moscú en 1909,[4] donde estudió física y matemáticas.
En segundo año ingresó en el laboratorio de Piotr Lébedev (1866-1912),[3] Vavílov fundó la escuela soviética de la óptica física, y es reconocido por sus trabajos en luminiscencia.
Desde 1932, fue miembro de la Academia de Ciencias de la Unión Soviética, entre 1934 y 1951 fue director del Instituto de Física Lébedev, jefe de redacción de la Gran enciclopedia soviética, desde 1946 fue miembro del Soviet Supremo y recibió cuatro premios Stalin (1943, 1946, 1951 y 1952).
[6] Escribió sobre la vida y obra de grandes científicos como Lucrecio (de quien tradujo De rerum Natura del latín al ruso), Galileo Galilei, Piotr Lébedev, Grimaldi, el óptico y físico italiano Francesco Grimaldi (1618-1663), Christiaan Huygens, Michael Faraday, Albert Michelson, Isaac Newton (de quien tradujo la Óptica y Clases sobre óptica del inglés al ruso), Leonhard Euler, Mijaíl Lomonósov, Mijaíl Lázarev, entre otros.