Интерес к естествознанию и истории науки проявился у Сергея еще в школьные годы. Но уже тогда интересы у него были весьма широки: он изучил много языков, в частности, самостоятельно - латынь и итальянский. Знание латыни дало ему возможность впоследствии изучить в оригинале и перевести на русский язык написанные по-латыни работы М.В. Ломоносова, И. Ньютона и других ученых.
Он не только посещал лекции в московском Политехническом музее, которые читали лучшие ученые того времени, но и ставил дома опыты по физике и химии. Его первый научный доклад у коммерческом училище был посвящен радиоактивности.
В 1909 г. Вавилов поступил на физико-математическое отделение МГУ и закончил университет в 1914 г. Уже в студенческие годы он начал заниматься научной работой под руководством знаменитого российского физика П.Н. Лебедева. В лаборатории Лебедева не только самостоятельно проводили эксперименты, но и изготавливали необходимое оборудование.
Во время первой мировой войны Вавилов был на фронте.
Там он попал в плен, но, к счастью, допрашивавший его немецкий офицер тоже оказался физиком. Проговорив с ним всю ночь о теории Макса Планка, немец утром помог С.Вавилову бежать.
После демобилизации в 1918 году С.И. Вавилов стал работать в Физическом институте в Москве. Молодой научный сотрудник занялся новой проблемой - проверкой . Требовалось тщательное изучение взаимодействия света и вещества, и Вавилов разрабатывает способы применения законов квантовой механики к описанию явлений , поглощения и излучения света. Идея, высказанная им, сводилась к следующему: если свет действительно испускается , то их число в каждый момент времени будет разным, оно станет колебаться около некоторого среднего значения. Значит, и поглощаться в каждый момент будет разное количество света. В случае предельно слабых световых потоков такие беспорядочные изменения поглощательной способности вещества, вероятно, удастся зафиксировать. Это и послужит доказательством квантовой природы света. А в 1921 году Вавилов начал эксперименты в новой области физической оптики - люминесценции, которая стала основным предметом его научных интересов.
Под руководством Вавилова разрабатывались вопросы, связанные с практическим применениями люминесценции, в частности разработана технология производства ламп «дневного» света. В 1929 году Вавилов возглавил кафедру общей физики МГУ, а в 1934 году стал первым директором только что созданного Физического института АН СССР. Он оставался директором этого института до конца своей жизни.
Здесь, в стенах Физического института, Вавилов совершил одно из главных своих открытий. В 1934 году его аспирант П.А. Черенков наблюдал свечение жидкостей, вызываемое движением электронов в них со скоростью, превосходящей скорость света в данной среде. Это явление впоследствии было названо эффектом Вавилова-Черенкова. Теорию этого эффекта развили советские физики И. М. Франк и И. Е. Тамм.
Как вы знаете, свет распространяется от одной точки пространства к другой не мгновенно, а с некоторой скоростью (хотя и очень большой - 300000 км/с). В прозрачном веществе, например в воде, скорость света меньше, чем в воздухе или пустоте. Частицы вещества не могут двигаться со скоростью больше скорости света в пустоте; но они могут двигаться в веществе со скоростью, большей скорости света в этом веществе. Это можно осуществить, например, пропуская пучок очень быстрых электронов через воду. И тогда наблюдается удивительное явление - в воде возникает таинственное свечение. Упрощенное объяснение таково: вокруг электрона существует световое поле; когда электрон движется сквозь воду со скоростью больше скорости света в воде, световое поле попросту не успевает за электроном, отстает от него - и появляется свечение. Это свечение обнаружил и исследовал С. И. Вавилов совместно со своим учеником П. А. Черенковым.
Вавилов был также выдающимся историком и популяризатором науки. Он часто бывал в букинистических магазинах, где искал книги в основном по истории науки и культуры. Он сам написал целый ряд научных биографий знаменитых ученых (Галилей, Ньютон, Фарадей, Эйлер, Ломоносов, Лебедев, С. Ковалевская и др.). Перевел с латинского языка на русский книги Ньютона по оптике, труд Лукреция “О природе вещей” и опубликовал их со своими комментариями. К концу жизни Вавилов закончил монографию “Микроструктура света”.
Так, он перевел на русский язык «Оптику» И. Ньютона и написал комментарии к этому труду. В 1934 году Вавилов основал серию книг «Классики науки».
С 1945 по 1951 год Сергей Иванович был президентом Академии наук СССР. В это время удалось много сделать для развития науки. Были созданы новые исследовательские институты (например, Институт истории естествознания и техники, Институт прикладной физики, занимавшийся исследованиями по инфракрасной технике и оптоэлектронике). Были значительно улучшены оснащение институтов приборами и материальное положение сотрудников. Вавилов всячески поддерживал на первой стадии деятельность С. Королева и его сотрудников по организации полетов ракет.
Несмотря на столь высокое положение, Сергей Иванович всегда был внимателен и тактичен в отношениях с сослуживцами. Он никогда не повышал голос, резкий тон в его замечаниях был редкостью, хотя в своих требованиях он оставался твердым и непреклонным. Самые сильные "ругательные" выражения сводились к словам "нехорошо" или "не совсем хорошо", а пределом строгости, которого все боялись как огня, являлось его знаменитое - "стыдобушка".
В последний день своей жизни 24 января 1951 года Сергей Иванович как обычно в 9 часов утра был в Физическом институте Академии наук, затем допоздна - в Президиуме АН. Уходя, сказал: “Завтра как всегда буду к часу”. Он не дожил двух месяцев до своего шестидесятилетия - ночью скончался от сердечного приступа. Врачи обнаружили на его сердце 9 рубцов - следы, судя по всему, девяти инфарктов.
Память С.И.Вавилова увековечена в России: его имя присвоено Государственному Оптическому Институту, Институту физических проблем АН СССР, учреждена медаль имени С.И.Вавилова для награждения Академией Наук ученых за крупные физические открытия, его именем названы улицы в нескольких городах, оно присвоено даже нескольким морским судам, а на есть кратер "Братьев Вавиловых".