Учился С. И. Вавилов в Коммерческом училище, одном из лучших московских средних учебных заведений, в котором большое внимание уделялось естественным наукам и иностранным языкам. Отличником он не был, но с ранних лет явно тянулся к культуре, много читал (и на всю жизнь полюбил букинистические лавки), в старших классах был лидером в интеллектуальном «кружке» одноклассников, писал стихи и философские трактаты. Целью училища было готовить будущих коммерсантов, но Сергей (как и учившийся там же старший брат Николай) по этому пути изначально идти не собирался. Важную роль в жизни Вавилова сыграл преподаватель рисования И. Е. Евсеев (1865 – после 1947): по всей видимости, под его влиянием Вавилов чрезвычайно серьезно увлекся искусством, в дневниках поездок в Италию (молодой Вавилов побывал там трижды и буквально влюбился в эту страну) многие десятки страниц посвящены живописи и архитектуре. Но не меньшее место в жизни подростка-Вавилова изначально занимала наука: вначале в виде мальчишеских опытов («кухонная» химия, эксперименты с электричеством и т. п.), затем как серьезная цель жизни – Вавилов решил поступать на физико-математический факультет университета. Для этого пришлось выучить и экстерном сдать латынь, которую не преподавали в Коммерческом училище. С сентября 1909 г. Вавилов – студент физико-математического факультета Московского университета.
Уже на втором курсе, в 1911 г., Вавилову удается попасть в знаменитую лабораторию П. Н. Лебедева (1866–1912). К сожалению, последовавший буквально через пару месяцев вынужденный уход Лебедева из университета (вместе с группой других преподавателей – в знак протеста против антилиберальной деятельности ректора), а затем и смерть в марте 1912 г. не дали Вавилову в полной мере стать учеником этого выдающегося физика. Научное руководство Вавиловым перешло к младшему коллеге и ученику Лебедева П. П. Лазареву (1878–1942), в то время изучавшему процессы фотохимического выцветания красителей. Это определило будущий научный путь Вавилова – как физика-оптика, специалиста по люминесценции: выцветанию красителей была посвящена его первая научная публикация (1914). В мае 1914 г. Вавилов окончил университет с дипломом первой степени и получил предложение остаться на кафедре физики «для подготовки к профессорскому званию» (аналог современной аспирантуры). Вавилов не принял это предложение и был призван в армию.