По возвращении из заграничной командировки, Вавилов в 1914 году был избран преподавателем Голицинских курсов и одновременно вел летние курсы по частному земледелию в Петроградской сельскохозяйственной академии. Но преподавательская деятельность в Москве не дает ему полного удовлетворения и почти не оставляет времени для научной работы.

Вавиловым изучен иммунитет 650 сортов пшеницы, 350 сортов овса, бобовых, огородных культур, льна; в 1919 году результаты исследований опубликованы в монографии «Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям». Эти исследования дают материал для осознания одного из ведущих законов в науке – закона гомологических рядов наследственной изменчивости. Одновременно он слушает лекции Валерия Брюсова о древнейших культурах человечества.

С 1917 года Вавилов работает на кафедре генетики, селекции и частного земледелия Саратовских высших сельскохозяйственных курсов. Организует широкое полевое изучение сортов различных сельскохозяйственных растений, в основном хлебных злаков; работа сопровождается генетическими исследованиями.

Известие об Октябрьской революции, казалось бы, не внесло ничего нового в жизнь Н.И. Вавилова. Он по-прежнему преподавал на курсах, получил звание профессора, руководил кафедрой частного земледелия и генетики. На его лекциях всегда было много слушателей, причем не только студентов, но и преподавателей смежных кафедр, сотрудников селекционной станции, университета, членов Географического общества. Н.И. Вавилова нельзя было назвать блестящим оратором, он часто перескакивал с предмета на предмет, не легко было уследить за его мыслью. Но некоторые недостатки перекрывались главным – его увлеченностью наукой. Его собственный интерес к тому, что он рассказывал, был столь велик, что передавался и слушателям.

Летом он пропадал на селекционной станции. В невероятно трудных условиях, связанных с последствиями Первой мировой войны, Гражданской войной, интервенцией и разрухой, под его руководством были засеяны 12 тысяч делянок, а в последующие годы еще больше.

В саратовский период, хотя он и был коротким, взошла звезда Н. И. Вавилова - ученого. Там он отобрал коллектив молодых последователей его идей, студентов университета, и вместе с ними произвел экспедиционное обследование полевых культур Юго - Востока европейской части России. Результатом экспедиции явилось опубликование первой советской региональной монографии по видовому и сортовому составу полевых возделываемых растений. Книга называлась "Полевые культуры Юго - Востока". Издать ее удалось лишь в 1922 году.

В 1918 году Вавилов наступает с инициативой организации в Саратове филиала отдела прикладной ботаники. Несмотря на понятные для тех лет исключительные трудности, Вавилов не только продолжает начатые исследования, но и непрерывно расширяет масштабы работ по прикладной ботанике. Прежде всего, он продолжает опыты, начатые в Петровской сельскохозяйственной академии. Это, по его собственным словам, "иммунитет, гибриды и некоторые ботанико-географические работы". Вавилова, конечно же, особенно интересует проблемы иммунитета, особенно иммунитета пшеницы. В течение многих веков болезни пшеницы были одной из самых важных помех хорошего урожая.

Осенью 1918 года Вавилов закончил свою работу по иммунитету растений к инфекционным заболеваниям, и в начале 1919 года по инициативе Д. Н. Прянишникова она публикуется в "Известиях Петровской сельскохозяйственной академии". Статья выходит с надписью: "посвящаю памяти великого исследователя иммунитета И. И. Мечникова". Проблема иммунитета волнует Вавилова в течение всей жизни.

Следует вернуться к развитию биологической науки на стыке веков. Были заново открыты законы ученого монаха из Брно Грегори Менделя. Это были законы генетики – учения о наследственности и изменчивости, сформулированные и дополненные: Гугу де Фризом, Карлом Корренсом и Эриком Чермаком. Генетика стала главной опорой в учении и практике Николая Вавилова.

Второй опорой стало эволюционное учение Чарльза Дарвина, изложенное в труде «Происхождение видов». Третей - сочинение Женевского ботаника Альфонса Декан доля «Рациональная география растений» - основа новой науки биогеографии. А четвертой - сочинение шведского натуралиста Карла Линнея «Виды растений».

В русле этих четырех направлений и развивались поиски и находки молодого Вавилова. Классификация растительного мира планеты с помощью Вавилова расширилась примерно вчетверо.

21 марта 1920 года Вавилов был избран зав отделом Сельхозучкома в Петрограде, еще работая в Саратове. Здесь он организовал ряд экспедиций на юго-восток России.

1920 год, год 33-летия, был для Николая Ивановича знаменательным в научной деятельности. Уже к 1917году у Н.И. Вавилова сложилась идея единства многообразия. Обращал внимание на повторяемость признаков и находил новые формы у растений А.И. Мальцев, английский ученый Пеннет – открытие закона гомологических рядов давно назрело в ходе развития науки, но только Вавилов сумел его сформулировать. Вероятно, в силу энциклопедичности своего образования, широкого круга научных интересов, а возможно, благодаря своей романтической, увлекающейся натуре, способности к смелым, интуитивным догадкам.

В июне 1920 года на III Всероссийском съезде селекционеров, происходившем в Саратове, Вавилов впервые выступил с «Законом гомологических рядов в наследственной изменчивости». Демонстрируя таблицы параллельных рядов с пустыми клетками, Вавилов предсказывал существование еще не открытых или не созданных путем селекции растений. Аналогия с периодическим законом химических элементов была очевидна, и, когда по окончании доклада весь зал встал и устроил Вавилову овацию, профессор В.Р. Заленский крикнул, перекрывая аплодисменты: «Это биологи приветствуют своего Менделеева!». От имени съезда его участники послали телеграмму в Москву, в Совнарком, Луначарскому, оценивая теорию Вавилова как крупнейшее событие в мировой биологической науке, открывающее самые широкие перспективы для практики.

Со времен Карла Линнея девизом растениеводов было утверждения о том, что основа ботаники - в разделении и наименовании растений. Ученые открывали все новые виды, разновидности, сорта – тысячи, миллионы. Открывали и тонули в безбрежном зеленом океане, в хаосе бесконечного множества форм культурной флоры. Нужен был синтетический, всеохватный ум, чтобы увидеть за деревьями лес - найти общее в многообразии, заметить в отдельных образцах собранного по всему миру растительного материала сравнительные сходства и несходства («гомологические» и означает - сходные, подобные, родственные), упорядочить этот хаос сначала у себя в голове, а затем на бумаге в форме определенных таблиц, параллельных рядов изменчивости, гомологических рядов.