Створив вчення про світові центри походження культурних рослин. Обгрунтував вчення про імунітет рослин, відкрив закон гомологічних рядів у спадковій мінливості організмів. Вніс істотний внесок у розробку вчення про біологічний вид.
Відкрив закон гомологічних рядів у спадковій мінливості, яким послуговуються всі генетики світу.
Великий внесок у розвиток селекційної науки зробив Микола Іванович Вавилов, розробивши закон гомологічних рядів спадкової мінливості.
І. Вавилов виявив, що: 1) Види та роди, генетично близькі між собою, характеризуються тотожними рядами спадкової мінливості з такою правильністю, що знаючи ряд форм одного виду, можна передбачити існування тотожних форм у інших видів та родів.
В процесі пошуку диких рослин для перетворення їх в культурні та використання виникло вчення про центри походження культурних рослин. У 1926—1939 роках М. І. Вавілов узагальнив накопичені знання і виділив сім основних центрів походження культурних рослин.
6 серпня того ж року Вавілова було заарештовано під час експедиції у Чернівцях. За даними джерел, у ухвалі на арешт було сказано «просуваючи свідомо ворожі …