Вавилов был крупным организатором советской науки. Под его руководством (с 1920) сравнительно небольшое научное учреждение - Бюро по прикладной ботанике - было превращено в 1924 во Всесоюзный институт прикладной ботаники и новых культур, а в 1930 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, был научным центром по разработке теории селекции растений мирового значения.

В 1940 году Вавилов был назначен начальником Комплексной (агроботанической) экспедиции Наркомзема СССР в западные районы Украинской и Белорусской ССР. 6 августа 1940 года Вавилов был арестован в предгорьях Карпат, вблизи г. Черновцы. Санкция на арест была подписана "задним числом", 7 августа он был заключен во внутреннюю тюрьму НКВД в Москве (на Лубянке). В постановлении на арест Вавилов обвинялся как один из руководителей контрреволюционной Трудовой крестьянской партии, вредительстве в системе ВИРа, шпионаже, "борьбе против теорий и работ Лысенко, Цицина и Мичурина". Во время следствия, продолжавшегося 11 месяцев, Вавилов перенес не менее 236 допросов, происходивших часто в ночное время и продолжавшихся нередко в течение семи и более часов.

9 июля 1941 Вавилов на "суде" Военной коллегии Верховного суда СССР, происходившем в течение нескольких минут, был приговорен к расстрелу. На суде им было заявлено, что "обвинение построено на небылицах, лживых фактах и клевете, ни в какой мере не подтвержденных следствием". Поданное им прошение о помиловании в Верховный Совет СССР было отклонено. 26 июля переведен в Бутырскую тюрьму для приведения приговора в исполнение. Утром 15 октября его посетил сотрудник Берии и пообещал, что Вавилова оставят жить и предоставят ему работу по специальности. В связи с наступлением немцев на Москву этапирован в Саратов октября, помещен в 3-й корпус тюрьмы N 1 г.Саратова, где находился год и 3 месяца в тяжелейших условиях (камера смертников). Решением Президиума Верховного Совета СССР 23 июня 1942 расстрел в порядке помилования заменен 20-ю годами заключения в исправительно-трудовых лагерях. От голода Сергей Иванович заболел дистрофией и умер, предельно истощенный в тюремной больнице 26 января Похоронен, по-видимому, в общей могиле саратовского кладбища.

Во время следствия, во внутренней тюрьме НКВД, когда Вавилов имел возможность получать бумагу и карандаш, он написал большую книгу "История мирового земледелия", рукопись которой была уничтожена, "как не имеющая ценности" вместе с большим количеством других научных материалов, изъятых при обысках на квартире и в институтах, где он работал. 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. 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.