В 1921–1922 гг. Вавилов знакомится с сельским хозяйством обширных областей США и Канады. В 1924 году он совершил труднейшую, продолжавшуюся пять месяцев, экспедицию в Афганистан, подробно исследовав культурные растения и собрав большой общегеографический материал. За эту экспедицию Географическое общество СССР наградило Вавилова золотой медалью имени русского путешественника Николая Михайловича Пржевальского («за географический подвиг»). Результаты экспедиции обобщены в книге «Земледельческий Афганистан» (1929 год).

В 1926–1927 годах Николай Вавилов организовал и провел длительную экспедицию в страны Средиземноморья: Алжир, Тунис, Марокко, Египет, Сирию, Палестину, Трансиорданию, Грецию, острова Крит и Кипр, Италию (включая Сицилию и Сардинию), Испанию и Португалию, Сомали, Эфиопию и Эритрею.

В 1929 году Вавилов совершил экспедицию в Западный Китай (Синьцзян), в Японию, Корею, на остров Формоза (Тайвань).

В 1930 году – в Северную Америку (США) и Канаду, Центральную Америку, Мексику.

В 1932–1933 годах – в Гватемалу, Кубу, Перу, Боливию, Чили, Бразилию, Аргентину, Эквадор, Уругвай, Тринидад, Пуэрто-Рико.

Советские экспедиции при его участии и руководстве открыли новые виды дикого и культурного картофеля, устойчивые к заболеваниям, что было эффективно использовано селекционерами СССР и других стран. В перечисленных странах Вавилов проводил также важные исследования по истории мирового земледелия.

В результате изучения видов и сортов растений, собранных в странах Европы, Азии, Африки, Северной, Центральной и Южной Америки, Николай Вавилов установил очаги формирования, или центры происхождения и разнообразия культурных растений. Эти центры часто называются центрами генетического разнообразия или Вавиловскими центрами. Работа «Центры происхождения культурных растений» была впервые опубликована в 1926 году.

Согласно Вавилову культурная флора возникла и формировалась в относительно немногих очагах, обычно расположенных в горных местностях. Он выделил семь первичных центров:

1. Южно-Азиатский тропический центр (тропическая Индия, Индокитай, Южный Китай и острова Юго-Восточной Азии), давший человечеству рис, сахарный тростник, азиатские сорта хлопчатника, огурцы, лимон, апельсин, большое количество других тропических плодовых и овощных культур.

2. Восточно-Азиатский центр (Центральный и Восточный Китай, остров Тайвань, Корея, Япония). Родина сои, проса, чайного куста, многих овощных и плодовых культур.

3. Юго-Западноазиатский центр (Малая Азия, Иран, Афганистан, Средняя Азия, Северо-Западная Индия), откуда произошли мягкая пшеница, рожь, зернобобовые, дыня, яблоня, гранат, инжир, виноград, многие другие плодовые.

4. Средиземноморский центр – родина нескольких видов пшениц, маслин, овсов, многих овощных и кормовых культур, таких как капуста, свекла, морковь, чеснок и лук, редька.

5. Абиссинский, или Эфиопский, центр – выделяется разнообразием форм пшеницы и ячменя, родина кофейного дерева, сорго и др.

6. Центрально-Американский центр (Южная Мексика, Центральная Америка, острова Вест-Индии), давший кукурузу, фасоль, хлопчатник упланд (длинноволокнистый), овощной перец, какао и другие.

7. Андийский центр (горные области Южной Америки) – родина картофеля, табака, томата, каучукового дерева и других.

Теория центров происхождения культурных растений помогла Николаю Вавилову и его сотрудникам собрать крупнейшую в мире мировую коллекцию семян культурных растений, насчитывающую к 1940 году 250 тысяч образцов (36 тысяч образцов пшеницы, 10 022 – кукурузы, 23 636 – зернобобовых и т. д.). С использованием коллекции селекционерами было выведено свыше 450 сортов сельскохозяйственных растений. Мировая коллекция семян культурных растений, собранная Н. Вавиловым, его сотрудниками и последователями, служит делу сохранения на земном шаре генетических ресурсов полезных растений. В современной ситуации это имеет особое значение в связи с глобальным перенаселением планеты, о чём в своё время писал и академик Вернадский. Человечество, увеличиваясь в геометрической прогрессии, способно, в буквальном смысле, съесть все ресурсы полезных растений. Английский экономист Томас Мальтус в 1798 г. опубликовал книгу «Опыт закона о народонаселении» с демографической теорией, согласно которой, если рост населения не сдерживается какими-либо причинами, то население будет возрастать в геометрической прогрессии, тогда как производство пищевых ресурсов растёт лишь в арифметической. Ресурсы, к тому же, со временем могут исчерпаться. Указанное противоречие («мальтузианская ловушка») неизбежно приведёт к бедности, голоду, войнам и социальным потрясениям. Увеличивающийся рост населения, по Мальтусу, – есть причина всей нищеты и пороков. В своей книге учёный впервые использовал категорию «борьба за существование», которая затем была использована биологом Ч. Дарвиным в его «Происхождении видов», а также является одной из основ теории развития экономики. «Проблему перенаселенности Земли первым поднял Римский клуб ещё лет 30 назад. Когда я был членом Римского клуба, там обсуждались глобальные проблемы – гонка ядерных вооружений, противоракетная оборона и другие. Тогда же стало ясно: главная проблема – проблема роста человечества», – вспоминал Сергей Капица в начале 2000-х.

Николай Вавилов был крупным организатором советской науки. Под его руководством с 1920 года сравнительно небольшое научное учреждение – Бюро по прикладной ботанике – было превращено в 1924 году во Всесоюзный институт прикладной ботаники и новых культур, а в 1930 году в большой научный центр – Всесоюзный институт растениеводства (ВИР), насчитывавший тринадцать крупных отделений и опытных станций в разных пунктах СССР. ВИР, которым Вавилов руководил до августа 1940 года, был научным центром по разработке теории селекции растений мирового значения.

По инициативе Вавилова, как первого президента ВАСХНИЛ (с 1929 по 1935, а затем вице-президента вплоть до ареста), был организован целый ряд научно-исследовательских учреждений: Институт зернового хозяйства Юго-Востока Европейской части СССР, институты плодоводства, овощеводства, субтропических культур, кукурузы, картофеля, хлопководства, льна, масличных культур и другие. На основе генетической лаборатории, которой он руководил с 1930 года, Вавилов организовал Институт генетики АН СССР и являлся его директором до 1940 года.

Николай Вавилов с 1926 по 1935 год был членом ЦИК СССР и ВЦИК (Всероссийский исполнительный комитет). Он принимал активное участие в организации Всесоюзных сельскохозяйственных выставок 1923 и 1939 годов. С 1931 по 1940 годы (до ареста) Вавилов – президент Всесоюзного географического общества.

Николай Иванович Вавилов избирался вице-президентом VI-го Международного генетического конгресса в США в 1932 году и почетным президентом VII-го Международного генетического конгресса в Великобритании в 1939 году.

В начале тридцатых годов Николай Вавилов горячо поддержал работу молодого агронома Трофима Денисовича Лысенко по так называемой яровизации: превращению озимых культур в яровые путем предпосевного воздействия низких положительных температур на семена. Вавилов надеялся, что метод яровизации можно будет эффективно применить в селекции, что позволит полнее использовать мировую коллекцию полезных растений ВИРа для выведения путем гибридизации высокопродуктивных, устойчивых к заболеваниям, засухе и холоду культурных растений.