У Вавиловых, в большом доме на Средней Пресне, было редкое собрание книг. Иван Ильич щедро их покупал, подрастающие дети читали запоем. В доме много музицировали, а дети обучались музыке.
В 1906 году Вавилов окончил Московское коммерческое училище, получив достаточные знания по естественным наукам для поступления в университет, при этом вполне сносно овладел английским, немецким и французским языками. Затем Николай поступил в сельскохозяйственный институт. Здесь Вавилов сформировался не только как агроном, но и как исследователь. Сам он писал потом, что от коммерческого училища у него «мало осталось добрых воспоминаний», а вот что судьба забросила его в Петровку, это, «по-видимому, счастливая случайность».
Способность работать много, жадно, целенаправленно, не тратя времени попусту, выделяла его среди сверстников. Он переходил с одной кафедры на другую, пробуя свои силы в разных лабораториях, разрабатывая далёкие друг от друга темы. Первое своё самостоятельное исследование он провёл на кафедре зоологии и энтомологии — о голых слизнях, улитках, повреждающих озимые посевы и огородные растения. Работа была опубликована Московским губернским земством и удостоена премии Политехнического музея, а при окончании института зачтена Вавилову как дипломная.
Уже со студенческих лет Николай Вавилов проводил ежегодные научные экспедиции. В те годы он с рюкзаком исходил Северный Кавказ и Закавказье.
Ближайшим учителем Вавилова был знаменитый биолог Дмитрий Николаевич Прянишников. По его инициативе Вавилов занялся изучением селекции растений, а после окончания академии переехал в Петербург, где начал работать в Бюро прикладной ботаники.
В 1912 году Вавилов женился на Екатерине Николаевне Сахаровой. Они вместе учились в институте, вместе проходили практику на Полтавщине. Катя родилась и воспитывалась в семье сибирского купца. Мечтала, едва ли не с детских лет, стать агрономом. Молодые поселились в одном из двух флигелей отцовского дома. Свадебного путешествия не было. Молодой супруг уже установил для себя свой, вавиловский режим. Его редко видели в уютном флигеле на Средней Пресне. Лишь по ночам, почти до рассвета, светилось его окно.
Много лет спустя ленинградский репортёр, сотрудник РОСТА С. М. Шлицер, как-то спросил у Вавилова, когда он находит время для личной жизни. «Для личной жизни? — переспросил Николай Иванович. — А разве наука для меня не личная жизнь?»
В 1913 году Вавилов отправляется в Англию и проводит несколько месяцев в лаборатории знаменитого биолога У. Бетсона. С ним вместе за рубеж отправилась и жена. Вавиловы обосновались в городке Мертоне, невдалеке от Лондона. Екатерина Николаевна, лучше мужа владевшая разговорным английским, иногда приходила ему на помощь. Но это было лишь на первых порах, Николай быстро освоился.
Вавилов провёл в Англии около года. В Мертоне и на ферме Кембриджского университета он высеял привезённые с собой образцы пшеницы, овса и ячменя, уже исследованные им на иммунитет в институте в 1911–1912 годах. Таким способом он проверил результаты, полученные в Подмосковье. В Англии он завершил работу над статьёй об иммунитете растений к грибковым заболеваниям и опубликовал её в журнале, основанном Бэтсоном. На русском языке это исследование, часть многолетней работы, было обнародовано позднее.
Николай Иванович занимался в Англии не только своей специальностью — иммунологией. Как всегда и всюду, он и тут интересовался многим. Следил за всем, что происходит в биологии, особенно в генетике, вызывавшей горячие споры; не обходил вниманием сельскохозяйственную науку, новинки агротехники. Немало времени провёл он в Линнеевском обществе, участвовал в научных заседаниях, изучал коллекции.
Из Лондона чета Вавиловых отправилась в Париж. Последним пунктом заграничной командировки была Германия, Йена, лаборатория известного биолога-эволюциониста Эрнста Геккеля, пропагандировавшего идеи Дарвина. Однако вскоре им пришлось прервать научную командировку и вернуться на родину, поскольку в Европе началась Первая мировая война. Николая Ивановича призывная комиссия от службы в армии временно освободила. Ещё в школьные годы он повредил себе глаз.
В 1916 году Вавилов посетил Северный Иран, Фергану и Памир. В этих путешествиях молодой учёный собрал интереснейший научный материал, который позволил ему сделать ещё два крупных открытия — установить законы гомологических рядов и центры распространения культурных растений.