1887年11月25日出生于莫斯科附近的一個商人家庭，1910年畢業(yè)于莫斯科農學院（現(xiàn)季米里亞捷夫農學院），1913～1914年，赴英國劍橋大學，在W．貝特森指導下深造，回國后，于1917～1921年先后任薩拉托夫斯基大學和莫斯科大學教授，1924年任列寧格勒應用植物研究所所長，后擔任全蘇農業(yè)科學院的第一任主席至1935年。在他任職期間建立了遍布全蘇的400多個科學研究機構。卒于1943年1月26日。

在瓦維洛夫領導下，應用植物研究所逐步發(fā)展為全蘇作物品種資源的研究中心。該所收集的品種資源達20萬份以上，成為世界上作物標準品種貯存和育種的重要基地。

1916～1933年他多次率領采集隊到世界各地考察，先后到過伊朗、阿富汗、埃塞俄比亞、中國、中美和南美等幾十個國家，采集了幾十萬份作物及其近緣植物的標本和種子，用形態(tài)學、細胞學、遺傳學和免疫學等方法進行鑒別、整理和分類。然后在世界各地組織了規(guī)模浩大的實驗觀察，他根據(jù)研究結果提出了一個假說：栽培植物的起源中心應是其野生親緣種顯示最大適應性的地區(qū)。這個結論寫入了《栽培植物起源變異、免疫和繁育》一書中。此后他提出了世界12個栽培植物起源中心。

由于Т．Д．李森科斥責他兜售“孟德爾-摩爾根遺傳學”，而遭到批判，于1940年被捕，1943年在獄中去世。