Николай Иванович Вавилов родился 13 (25) ноября 1887 года в Москве. Его отец, Иван Ильич Вавилов, был купцом второй гильдии и общественным деятелем, а мать, Александра Михайловна Вавилова, была дочерью художника-резчика. В семье было семеро детей, но трое из них умерли в детстве.

Николай Вавилов с раннего детства был предрасположен к естественным наукам. Он поступил в Московское коммерческое училище, но затем решил продолжить образование в Московском сельскохозяйственном институте, который окончил в 1911 году. Во время обучения он занимался исследовательской деятельностью и был оставлен для подготовки к профессорскому званию на кафедре частного земледелия.

В 1911-1912 годах Вавилов прошёл стажировку в Санкт-Петербурге, а в 1913 году был направлен за границу для завершения образования. Он работал в лаборатории Эрнста Геккеля в Йене и в генетической лаборатории Института садоводства имени Джона Иннеса в Мертоне. В 1915 году Вавилов сдал магистерские экзамены, но магистерской диссертации не защищал.

В 1917 году Вавилов был избран помощником заведующего Отделом прикладной ботаники Р. Э. Регеля, а в 1918 году готовил монографию "Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям", которая была издана в 1919 году. В 1920 году он создал учение об иммунитете растений и выступил на III Всероссийском съезде по селекции и семеноводству с докладом "Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости".

В 1921 году Вавилов переехал в Петроград и начал работать в Государственном институте опытной агрономии, который он возглавил в 1923 году. В 1924 году Отдел прикладной ботаники и селекции был реорганизован во Всесоюзный институт прикладной ботаники и новых культур, а в 1930 году - во Всесоюзный институт растениеводства, руководителем которого Николай Вавилов оставался до августа 1940 года.

Николай Вавилов был арестован в 1940 году по ложному доносу и незаконно обвинён во вредительстве и связях с оппозиционными политическими группами. В 1941 году он был осуждён и приговорён к расстрелу, который впоследствии был заменён 20-летним сроком заключения. Учёный умер в Саратовской тюрьме от пеллагры в 1943 году. В 1955 году он был посмертно реабилитирован.

Николай Вавилов был женат дважды. Его первая жена, Екатерина Николаевна Сахарова-Вавилова, была его спутницей с 1912 по 1926 год. В этом браке родился сын Олег, который погиб при альпинистском восхождении на Кавказе. В 1926 году Вавилов женился на Елене Барулиной, которая была биологом и доктором сельскохозяйственных наук. В этом браке родился сын Юрий, который стал физиком-ядерщиком и доктором физико-математических наук.