С раннего детства Коля был предрасположен к естественным наукам. В числе его детских увлечений были наблюдения за животным и растительным миром. У отца была большая библиотека, в которой были редкие книги, географические карты, гербарии.
Из-за незнания латинского языка Николай не смог поступить в Московский университет, где требовалось сдать вступительный экзамен по латыни. По воле отца Николай поступил в Московское коммерческое училище, по окончании которого в 1906 году поступил в Московский сельскохозяйственный институт на агрономический факультет. Занимался он у таких учёных, как Н. Н. Худяков и Д. Н. Прянишников. В 1908 году он участвовал в студенческой экспедиции по Северному Кавказу и Закавказью, а летом 1910 года прошёл агрономическую практику на Полтавской опытной станции, получив, по собственному признанию, что для него: «… это был импульс для всей дальнейшей работы». На заседаниях институтского кружка любителей естествознания Вавилов выступал с докладами «Генеалогия растительного царства», «Дарвинизм и экспериментальная морфология». За время обучения в институте склонность Н. Вавилова к исследовательской деятельности проявлялась неоднократно, итогом обучения стала дипломная работа о голых слизнях, повреждающих поля и огороды в Московской губернии. Она была удостоена премии Московского политехнического музея.
От брака с Екатериной Николаевной Сахаровой – Вавилова В этом браке в 1918 году родился его первый сын – Олег, который окончил физический факультет МГУ, защитил кандидатскую диссертацию, но вскоре после этого погиб при альпинистском восхождении на Кавказе.
В 1917 году в Саратове Николай Иванович познакомился со студенткой Еленой Барулиной, которая участвовала во многих инициативах своего учителя. Так, Елена Барулина принимала участие в экспедиции Вавилова по юго-востоку России, которая была организована в августе 1920 года. Сразу же после экспедиции Николай Вавилов принялся за книгу «Полевые культуры Юго-Востока», для которой Е. И. Барулина написала статью «Дыни Юго-Востока», она была биологом, доктором сельскохозяйственных наук, его единомышленником. Вскоре Елена Ивановна стала его женой. В этом браке родился (1928) второй сын, Юрий – физик-ядерщик, доктор физико-математических наук, впоследствии много сделавший для поиска и публикации сведений об отце.