Сергей Вавилов родился 12 (24) марта 1891 года в Москве, в семье богатого фабриканта обуви, гласного Московской городской думы Ивана Ильича Вавилова (1863—1928).
Учился в коммерческом училище на Остоженке, затем, с 1909 года, на физико-математическом факультете Московского университета, который окончил в 1914 году. Во время Первой мировой войны С. И. Вавилов служил в различных инженерных частях. Так, в 1914 году он поступил вольноопределяющимся в 25-й сапёрный батальон Московского военного округа. На фронте Сергей Вавилов закончил экспериментально-теоретическую работу под названием «Частоты колебаний нагруженной антенны».
С 1918 по 1932 год преподавал физику в МГУ. Параллельно в это же время заведовал отделением физической оптики в институте физики и биофизики Наркомздрава. В 1929 году стал профессором. Также преподавал в МВТУ им. Баумана.
В 1932 году Вавилов возглавил Физический институт АН СССР, тогда же стал научным руководителем Государственного оптического института.
В 1940 году С. И. Вавилов узнал об аресте своего брата — Н. И. Вавилова. В связи с этим он добился приёма у Молотова и Берии с целью освободить брата из-под ареста. Однако, Н. И. Вавилов не был освобождён и вскоре умер в Саратовской тюрьме. С. И. Вавилов ещё долго не знал об участи родного брата. О смерти Николая он узнал лишь из письма Олега в 1943 году.
Во время Великой Отечественной войны Сергей Вавилов жил в эвакуации в г. Йошкар-Оле, где закончил биографию Исаака Ньютона, которая была впервые опубликована в 1943 году. Он стал уполномоченным Государственного комитета обороны СССР и руководил работами по разработке новых приборов для вооружения армии. Считается что именно здесь он изобрёл люминесцентную лампу. Следует отметить, что мировая общественность имеет иную точку зрения на авторство в изобретении люминесцентной лампы. Так, например, есть сведения, что действительным автором изобретения люминесцентной лампы является Эдмунд Джермер, 1926 год.
В 1945 году был избран президентом АН СССР, сменив на этом посту В. Л. Комарова. 6 марта 1947 года вошёл в первый состав учёного совета физико-технического факультета МГУ (в дальнейшем — МФТИ). Был активным популяризатором науки, инициатором создания Всесоюзного просветительского общества «Знание» и первым председателем его правления; во многом именно его усилиями имя М. В. Ломоносова утвердилось как символ российской науки, по его предложению в структуре АН СССР был организован музей М. В. Ломоносова.
В 1938 году избирался депутатом Верховного Совета РСФСР. В 1946 и 1950 годах избирался депутатом Верховного Совета СССР.
Вавилов скончался 25 января 1951 года от инфаркта.
Был награждён орденом Трудового Красного Знамени, дважды орденом Ленина и неоднократно Сталинской премией (1943, 1946, 1951, 1952 — посмертно).
C 1932 года по 1946 год проживал в Ленинграде:
Основным направлением в науке для Сергея Вавилова было исследование оптики, в частности явления люминесценции. В 1925 году Сергей Вавилов совместно с В. Л. Левшиным провёл ряд опытов, в ходе которых было обнаружено уменьшение коэффициента поглощения уранового стекла при больших интенсивностях света. Наблюдаемый эффект лёг в основу нелинейной оптики. Он ввёл понятие квантового выхода люминесценции и исследовал зависимость этого параметра от длины волны возбуждающего света (закон Вавилова). Исследовал явление поляризации люминесценции, стал основоположником нового направления — микрооптики, много сделал для развития нелинейной оптики. Вместе со своим аспирантом П. А. Черенковым в 1934 году открыл эффект Вавилова — Черенкова (черенковское излучение); за это открытие Черенков в 1958 году, уже после смерти Вавилова, был удостоен Нобелевской премии.
1961 год