Будущий генетик Николай Иванович родился в 25 ноября (По старому стилю 13 ноября) 1887 года в Москве. Вырос в семье предпринимателя. Отец Николая – купец и предприниматель Иван Ильич Вавилов. Мать, Александра Михайловна, была дочерью гравера Прохоровской мануфактуры.  С раннего детства Николай был предрасположен к естественным наукам, в числе его увлечений были наблюдения за животными и растениями. У отца была большая библиотека, в которой были редкие книги, гербарии. Это сыграло огромную роль в формировании личности.

По воле отца Николай поступает в Московское коммерческое училище.  В 1906 году после окончания училища Вавилов поступил в Московский сельскохозяйственный институт (ныне Тимирязевская сельскохозяйственная академия). Еще, будучи студентом, занимался научной работой. 
В 1908 году он участвовал в студенческой экспедиции по Северному Кавказу и Закавказью.

В 1909 году к столетию Чарлза Дарвина выступил с докладом «Дарвинизм и экспериментальная морфология», а в 1910 году публикует дипломную работу «Голые слизни, повреждающие поля и огороды в Московской губернии», за которую получил премию Московского политехнического музея.

В 1911 году Вавилов заканчивает институт.

В 1911-1912 году Николай Иванович Вавилов отправляется в Санкт-Петербург на стажировку с целью ознакомления с систематикой и географией культурных злаков и их болезней.

В 1913 году Н. И. Вавилов был отправлен во Францию для завершения образования.

В 1915 году Николай Вавилов начал заниматься изучением иммунитета растений. Первые опыты он проводил в питомниках совместно с профессором Жегаловым. В 1920 году на Всероссийском съезде в Саратове Николай Вавилов выступил с докладом о «Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости». Закон вскрыл важную закономерность эволюции: у близких видов и родов возникают сходные наследственные изменения. Закон гомологических рядов облегчает селекционерам поиск новых форм для скрещивания и отбора.  

В 1921-1922 Вавилов отправляется в экспедицию, продолжавшуюся пять месяцев, в Афганистан, где подробно исследует культурные растения. Результаты экспедиции были обобщены в книге «Земледельческий Афганистан». Советские экспедиции при его участии открыли новые виды дикого и культурного картофеля, устойчивые к заболеваниям, что было использовано селекционерами СССР и других стран. В результате изучения видов и сортов растений, собранных в странах Европы, Азии, Африки, Северной, Центральной и Южной Америки, Николай Иванович установил очаги формирования происхождения и разнообразия культурных растений. Эти центры часто называют Вавиловскими центрами. 


В 1930 году, после смерти Ю.А. Филипченко, Вавилов возглавил Генетическую лабораторию АН СССР в Ленинграде. Также в 1930 году организовал  II Международный конгресс почвоведов в Москве. В 1931 году Николай Иванович возглавил Всесоюзное географическое общество и оставался в должности президента до 1940 года.

В 1940 году Николай Вавилов был назначен начальником Комплексной экспедиции в западные районы Украинской и Белорусской ССР.

6 августа 1940 года Вавилов был арестован вблизи города Черновцы. 7 августа он был заключен в тюрьму в Москве. В постановлении на арест Вавилов Николай Иванович обвинялся как один из руководствующих контрреволюционной Трудовой крестьянской партии, вредительстве в системе ВИРа, шпионажа, борьбе против теорий и работ Лысенко, Цицина и Мичурина.

При жизни Николай Иванович был избран членом и почетным членом многих зарубежных академий, в том числе Лондонского Королевского общества (1942), Шотландской (1937), Индийской (1937), Аргентинской академий, членом-корреспондентом АН Галле (1929; Германия) и Чехословацкой академии (1936), почетным членом Американского ботанического общества. Линнеевского общества в Лондоне, Английского общества садоводства и др.

В 1918 году Николай женится на Екатерина Николаевне Сахоровой (1886 – 1963).
В браке с Екатериной рождается первый сын Олег(1918-1946).

Весной 1926 года Вавилов расторг брак с Екатериной и зарегистрировал брак с Еленой Барулиной. Елена Ивановна была биологом, доктором сельскохозяйственных наук. 1928 году рождается второй сын Николая Вавилова, Юрий – физик-ядерщик, доктор физико-математических наук.

9 июля 1941 года Вавилов был приговорен к расстрелу. Утром 15 октября его посетил сотрудник Берии и пообещал, что Вавилова оставят жить и предоставят ему работу по специальности.

23 июня 1942 года по решению Президиума Верховного Совета СССР расстрел в порядке помилования был заменен на двадцать лет заключения в исправительно-трудовых лагерях. От голода Николай Иванович заболел дистрофией и умер, предельно истощенный в тюремной больнице 26 января 1943 года. 

20 августа 1955 Вавилов был посмертно реабилитирован. В 1965 была учреждена премия им. Н. И. Вавилова, в 1967 его имя было присвоено ВИРу, в 1968 учреждена золотая медаль имени Вавилова, присуждаемая за выдающиеся научные работы и открытия в области сельского хозяйства.