В 1920 году Сельскохозяйственный учёный комитет, во главе с его председателем В. И. Ковалевским, избрал Николая Вавилова заведующим Отделом прикладной ботаники и селекции Комитета в Петрограде, и в январе 1921 года он почти со всеми своими саратовскими учениками покинул Саратов. Научная работа на новом месте началась с большим размахом. Постановлением Коллегии Наркомзема РСФСР в 1922 году Сельскохозяйственный учёный комитет был преобразован в многоотраслевой Государственный институт опытной агрономии (ГИОА), который в 1923 возглавил Н. И. Вавилов. Задачами института стали исследование важнейших проблем сельского хозяйства, лесного дела и рыбоводства, усовершенствование системы земледелия, подбор культур и сортов, разработка способов борьбы с вредителями и болезнями, селекция домашних животных, почвенно-климатическое изучение территории РСФСР. Голод в Поволжье 1921—1922 годов заставил российских учёных изменить направление исследований.
Н. В. Вавилов и А. А. Ячевский получили от Американского Фитопатологического общества приглашения принять участие в Международной конференции по болезням хлебных злаков (19—22 июля 1921 года, Северная Дакота, США). Во время поездки в США, продолжавшейся три месяца, Вавилов подготовил расширенный вариант закона гомологических рядов, который был опубликован в журнале «Journal of Genetics». Кроме того, во время той же поездки Вавилов основал в Нью-Йорке отделение Отдела прикладной ботаники, руководителем которого стал геоботаник, флорист и энтомолог Д. Н. Бородин В США Вавилов посетил ведущие генетические и селекционные лаборатории, ознакомился с новейшей литературой в библиотеках, вёл переписку с американскими учёными, сделал необходимые закупки, проведя аналогичную работу в Канаде. На обратном пути Николай Иванович посетил Англию, Францию, Германию, Голландию, Швецию и Данию, встречаясь в них с известными генетиками и селекционерами. Так, например, в 1922 году в Голландии он встретился с Гуго де Фризом (основателем мутационной теории).
Ознакомившись с научными изысканиями Де Фриза, Н. В. Вавилов, вернувшись в Россию в конце марта 1922 года выступил за вовлечение науки в создание сортовых ресурсов страны, продолжил расширение Отдела прикладной ботаники, стремясь превратить его в крупный центр сельскохозяйственной науки, приглашал учёных из других городов. Работа была направлена на выявление мирового разнообразия культурных растений с целью его дальнейшего использования для нужд страны.
Отдел прикладной ботаники и селекции в 1924 был реорганизован во Всесоюзный институт прикладной ботаники и новых культур, а в 1930 – во Всесоюзный институт растениеводства (ВИР), руководителем которого Николай Иванович оставался до августа 1940.
С 1924 по 1927 год был проведён ряд внутрисоюзных и зарубежных экспедиций – Афганистан (Н. В. Вавилов вместе с Д. Д. Букиничем первыми из европейцев проникли в Нуристан – высокогорную провинцию Афганистана, в то время закрытую для иноземцев), Средиземноморье, Африка, в ходе которых учёный продолжал пополнять коллекцию образцов и изучение очагов возникновения культурных растений.
Н. И. Вавилов в воспоминаниях отмечал, что: «…путешествие было, пожалуй, удачное, обобрали весь Афганистан, пробрались к Индии, Белуджистану, были за Гиндукушем. Около Индии добрели до финиковых пальм, нашли прарожь, видел дикие арбузы, дыни, коноплю, ячмень, морковь. Четыре раза перевалили Гиндукуш, один раз по пути Александра Македонского. … Собрал тьму лекарственных растений…».
