Советский физик, основатель научной школы физической оптики в СССР, действительный член (1932) и президент Академии наук СССР (1945—1951), общественный деятель и популяризатор науки. Лауреат четырёх Сталинских премий (1943, 1946, 1951; 1952 посмертно). Младший брат Н. И. Вавилова, советского учёного-генетика.

Основным направлением в науке для С. И. Вавилова были исследования в области физической оптики, в частности явления люминесценции. В 1925 году совместно с В. Л. Левшиным он провёл ряд опытов, в ходе которых было обнаружено уменьшение показателя поглощения уранового стекла при больших интенсивностях света. Наблюдаемый эффект лёг в основу нелинейной оптики. 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 (излучение Вавилова — Черенкова); за это открытие Черенков в 1958 году, уже после смерти Вавилова, был удостоен Нобелевской премии. Сам С. И. Вавилов был номинирован на Нобелевскую премию два раза (в 1957 и 1958 гг.).

В 1920-х годах по инициативе С. И. Вавилова начались исследования, направленные на создание новых для того времени источников света — люминесцентных ламп. Затем под его руководством работы продолжились одновременно в трёх научных организациях — в ФИАН имени П. Н. Лебедева, ГОИ, во ВЭИ имени В. И. Ленина. Незадолго до начала войны, 30 мая 1941 года, на Общем собрании АН СССР С. И. Вавилов сделал доклад «Люминесцентные источники света», сопроводив его демонстрацией первых образцов люминесцентных ламп. В дальнейшем, в послевоенные годы, при самом активном участии С. И. Вавилова началось их широкое промышленное производство.