Член-корреспондент Академии наук (1914), действительный член (1920), вице-президент (1930—1936) и президент (1936—1945) Академии наук СССР.
Полагал, что познание флоры может быть осуществлено только в установлении её истории, в свете миграции различных флористических комплексов, изменяющихся под влиянием условий существования, климата, конфигурации материков и морей.
Разработал принцип модельных групп для выяснения генезиса флор: историю флор следует реконструировать преимущественно на основе монографической обработки нескольких небольших родов. Успешно применил этот принцип при анализе генезиса флор Китая и Монголии.
Развил представления А. Кернера, С. Коржинского и Р. Веттштейна, специфику ареала считая одним из существенных признаков вида: «Вид — это морфологическая система, помноженная на географическую определённость».
В юношестве Комаров увлёкся ботаникой и самостоятельно изучал флору Боровичского уезда Новгородской губернии, где проводил летние месяцы в имении своего деда.
В 1890 году поступил на физико-математический факультет Санкт-Петербургского университета, окончил его в 1894 году с дипломом 1-й степени.
Ещё студентом совершил по поручению Санкт-Петербургского общества естествоиспытателей две поездки в Туркестан, в Самаркандский округ, результатом чего явились три работы по малоисследованной флоре Зеравшанского бассейна, за одну из которых получил в университете золотую медаль.
Студентом Комаров попал под негласный надзор полиции. Из-за этого остаться при университете было невозможно, и Комаров добился через Императорское Русское географическое общество разрешения на трёхлетнюю экспедицию на Дальний Восток. Он принял участие в качестве натуралиста в изысканиях Амурской железной дороги, а с 1895 года путешествовал по Амурской области, результатом чего явилась его работа «Условия дальнейшей колонизации Амура» (Известия Русского географического общества, XXXII т.).
В 1895—1897 годах последовало большое путешествие по Дальнему Востоку, Маньчжурии и Корее, итогом которого явилась трёхтомная «Флора Маньчжурии» (издана в Санкт-Петербурге в 1909 году). Это сочинение, перевёденное на многие иностранные языки, по сей день считается классическим трудом по ботанике. За эту работу Императорская Академия наук удостоила автора в 1909 году премии имени Карла Бэра, а Международная Академия ботанической географии во Франции присудила ему медаль с изображениями Турнефора и Линнея.
Русское географическое общество за путешествие по Маньчжурии и Корее присудило Комарову в 1897 году одну из своих высших наград — Большую серебряную медаль имени Пржевальского.
В 1898 году Комаров получил место консерватора в Санкт-Петербургском ботаническом саду (с 1931 — Ботанический институт АН СССР).
С 1898 преподавал в Петербургском университете (профессор с 1918). В 1902 защитил там магистерскую диссертацию (на основе 1-ого тома «Флоры Маньчжурии») и, получив звание приват-доцента, прочёл ряд биологических курсов, посвящённых преимущественно процессам видообразования.
С 1899 по 1907 годы преподавал на Курсах воспитательниц и руководительниц физического образования, возглавляемых Петром Францевичем Лесгафтом.
Летом 1902 Комаров совершил путешествие по Саянам и горам Мунку-Сардык, давшее богатые коллекции по флоре этой малоисследованной части Сибири и географические данные о Тункинском районе и озере Косоголе.
В 1906 исследовал с ботанической точки зрения Онежское, Чудское и другие озёра, в 1908-1909 — Камчатку (две экспедиции). Результатом стал труд «Путешествие по Камчатке в 1908—1909 годах» (1912).
В 1911 Комаров успешно защитил в Московском университете диссертацию на степень доктора ботаники.
В 1913 Комаров по поручению Переселенческого управления провёл подробное изучение Южно-Уссурийского края, издал несколько научных работ.
В 1914 Императорская Академия наук избрала Комарова членом-корреспондентом «по разряду биологических наук».
Комаров любил кропотливую и трудоёмкую работу: пополнять справочники, составлять сводки ботанических экспедиций, работать с гербарием, заниматься определением растений. Он считал, что такая неброская деятельность расширяет кругозор ботаника-систематика, обогащает его конкретными знаниями. Научная эрудиция Комарова была фактом общепризнанным в учёном мире.
Осенью 1920 года Российская академия наук объявила конкурс на замещение вакантного места академика по кафедре ботаники. По результатам опроса среди ботаников прошла кандидатура Комарова, он был избран действительным членом Академии.
В 1921 году Комаров выступил на Отделении физико-математических наук Академии с предложением создать в системе академических учреждений самостоятельный Институт генетики. Комаров предлагал объединить деятельность московских (группу Н. К. Кольцова в Институте экспериментальной биологии) и петроградских генетиков (круг Ю. А. Филипченко в Университете). Итогом стал петроградский генетический центр Бюро по евгенике.
В 1921 году в Петрограде работал Первый Всероссийский съезд русских ботаников. Комаров выступал на нём четыре раза с сообщениями и докладами на темы: «Меридиональная зональность организмов», «Русские названия растений», «Вегетативное размножение, апомиксия и теория видообразования» и «Смысл эволюции».
В 1920-х годах изданы работы Комарова по истории науки «Жизнь и труды Карла Линнея» (1923) и «Ламарк» (1925).
В 1929 году Комаров был избран академиком-секретарём Отделения физико-математических наук Академии, в 1930-м — президентом Всесоюзного ботанического общества. В апреле 1940 года к 70-летию учёного имя Комарова было присвоено Ботаническому институту Академии наук СССР и Дальневосточной горно-таёжной станции.
С 1944 года — первый директор Института истории естествознания и техники Академии наук СССР.
С 1940 года — почётный президент Географического общества СССР.
Похоронен на Новодевичьем кладбище в Москве.
1913—1935 — жилой дом Ботанического сада — Песочная улица, 2.
В 1940 году, к 70-летию учёного, его имя присвоено Ботаническому институту и Горнотаёжной станции в селе Горнотаёжном Уссурийского района Приморского края, организованной в январе 1932 года по инициативе и при активной поддержке Комарова.