Родился будущий ученый в Москве, в семье купца 2-й гильдии, члена Московской городской думы. Интересно, что его брат, Николай Вавилов, также стал крупным ученым, избрав своей стезей ботанику и генетику. Попытавшись пойти по стопам отца, он закончил коммерческое училище, но все же путь Сергея шел в науку, и в 1909 году он поступил на физико-математический факультет Московского университета. Уже студентом он определил область, которой будет заниматься. «Свет — мое призвание,» — говорил Вавилов, и уже первые студенческие научные работы молодого ученого были посвящены оптике. За одну из них, о тепловом выцветании красителей, он получил золотую медаль. После защиты диплома в 1914 году Сергею Вавилову предложили остаться на кафедре и защищать диссертацию. Но он отклонил предложение в знак протеста против реакционной образовательной политике в государстве. Он вынужден был вместо этого пойти в армию, а в это время шла Первая мировая война. Четыре года Вавилов воевал на фронтах в различных инженерно-технических частях русской армии, был взят немцами в плен, но бежал через два дня. Во время войны он продолжал научную работу и написал экспериментально-теоретическую работу о частоте колебания нагруженных антенн. После демобилизации в 1918 году начал преподавательскую карьеру. В должности профессора стал преподавать физику в Московском высшем техническом училище (ныне МГТУ м. Баумана), Московском высшем зоотехническом институте, Московском государственном университете. Кроме того, он возглавлял отделение физической оптики в недавно созданном Институте физики и биофизики Наркомздрава РСФСР. Параллельно научным работам, он издал несколько научно-популярных книг: «Действие света», «Солнечный свет и бытие Земли», «Солнце и глаз», перевел на русский «Оптику» Ньютона.
В 20-е годы Вавилов занимался изучением такого явления, как люминесценция. Известно, что о теме его исследований всегда пренебрежительно отзывался академик Капица, хотя впоследствии эти разработки позволили Вавилову сконструировать лампу дневного света, различные модификации которых с каждым годом применяются все шире. Но когда Капица оказался в сложной жизненной ситуации, именно Вавилов помог ему оборудовать частную лабораторию, где он мог продолжать исследования. Свой поступок Вавилов назвал «местью интеллигентного человека».
С 1926 года он работает в Германии, теперь он не немецкий военнопленный, а сотрудник физического института Берлинского университета, там он работал в течение трех лет.
В 1931 год Вавилова избирают член-корреспондентом, а в следующем году действительным членом Академии Наук СССР.
В 1932 году ученому дают руководство Государственным оптическим институтом, в связи с чем семья Вавиловых переехала в Ленинград. Через два года он вернулся в Москву в качестве директора ФИАН — Физическог института, которому по инициативе Вавилова было присвоено имя советского физика Петра Лебедева. Впоследствии из ФИАНа выйдет 6 нобелевских лауреатов, в том числе П.А.Черенков. Молодой аспирант сетовал на своего научного руководителя, Вавилова, который дал ему «тухлую» тему для исследований. И только маститый ученый разглядел в теме одно из главных открытий 20 века, известное как «эффект Черенкова».
Во время войны ФИАН был эвакуирован в Казань, а Государственный оптический институт из Ленинграда в Йошкар-Олу. Имеющий отношение к обоим, Вавилов несколько лет провел в Йошкар-Оле. Под его руководством в здании, где сейчас находится Национальный музей РМЭ, трудилось 8 профессоров, 12 докторов наук, 30 кандидатов. Все, что разработал научный коллектив, моментально шло на нужды фронта. За время войны было создано около 70 различных приборов — оптических прицелов, перископов, объективов, люминесцентных ламп для подводных лодок, даже прожекторные установки, которые потом использовались для психологической атаки при штурме Берлина. В некоторых названиях закрепилось упоминание марийского края — фотообъектив «Таир» был назван в честь озера, а название объектива «Телемар» расшифровывается как «телескопический марийский». За вклад в развитие вооружения Вавилов был награжден орденом Ленина. Трагизм судьбы советского ученого был в том, что в один год с вручением государственных наград он узнал, что в саратовской тюрьме от голода умер его брат, который пострадал от советских гонений на генетику как лженауку.
После войны Вавилов вновь активно занимался научной и научно-популярной деятельностью. Ближе к 60-ти он начал жаловаться на здоровье, сказывались заболевания сердца и легких, перенесенные во время войны. 25 января 1951 года Сергей Иванович Вавилов скончался в Москве от инфаркта миокарда.
