Створив вчення про світові центри походження культурних рослин. Обгрунтував вчення про імунітет рослин, відкрив закон гомологічних рядів у спадковій мінливості організмів.
У 1919 року створив вчення про імунітет рослин до інфекційних захворювань, що продовжило загальне вчення про імунітет Мечнікова. У 1920 році відкрив закон гомологічних рядів у спадковій мінливості організмів, який полегшив селекціонерам пошук вихідних форм для схрещування та відбору.
Вавілов розробив теорію про вихідний матеріал у селекції, закон гомологічних рядів у спадковій мінливості, теорію центрів походження та формоутворення культурних рослин, вивів концепцію виду як системи генотипів.