Но с 1934 года Николаю Ивановичу был запрещён выезд за границу, было отменено намечавшееся празднование 10-й годовщины создания ВИР и 25-летия его собственной научной и общественной деятельности. На заседании СНК СССР работу ВАСХНИЛ признали неудовлетворительной.
На XXX юбилейных Вавиловских чтениях, сын Николая Ивановича Вавилова рассказал об отношениях между братьями Вавиловыми и о бедствиях, которые принес их семье диктатура «века-волкодава», погубившая несметное число талантов России.
Он отмечал, что отец имел твердый характер, был смел и решителен, и нередко защищал младшего брата Сергея от пресненских мальчишек, вступая за него в драку. Николай, сильно влиял на интеллектуальное развитие Сергея в период его детства и юности. Он много читал и рассказывал ему содержание интересных книг, например, повесть о Петре Великом. Сергей под влиянием брата начал ставить химические опыты и посещать лекции крупных ученых в Народном университете Шанявского.
Сергей Иванович в своей автобиографии писал, что: «Естествоиспытателем с широкими интересами и горизонтами я стал вполне годам к пятнадцати. Я прочитал Тимирязева, Мечникова, обзавелся определителями растений. Принимал я большое участие в микробиологических опытах Николая». По примеру брата он устроил домашний литературный и философский кружок: «Обсуждали классиков. Например, трилогию А. К. Толстого…». Сергей самостоятельно, по совету брата, изучил еще в коммерческом училище латинский язык, который был необходим при поступлении в Московский университет, в результате был принят на физико-математический факультет.
Судьба Сергея Ивановича была полна глубочайшего драматизма: его старший брат академик Николай Иванович Вавилов, не менее прославленный ученый, биолог, пал жертвой политических репрессий в 1943 году в расцвете блистательной научной карьеры.
Как отмечал один из биографов С. И. Вавилова, профессор Л. В. Левшин, «…всю жизнь братья были очень близки между собой, а также проявляли трогательную взаимную заботу». Любимый ученик Сергея Ивановича, выдающийся физик, нобелевский лауреат И. М. Франк писал о Вавиловых: «Они, братья, были очень дружны и чрезвычайно высоко ценили талант друг друга».
В журнале «Вопросы истории естествознания и техники» №2, 2004 г. впервые опубликованы его дневники, связанные с арестом и гибелью любимого брата: