Сергей Вавилов родился (24) марта 1891 года в Москве в семье преуспевающего коммерсанта, купца 2-й гильдии, гласного Московской городской думы Ивана Ильича Вавилова (1863—1928) и Александры Михайловны Вавиловой, в девичестве Постниковой (1868—1938).
Учился в коммерческом училище на Остоженке, затем, с 1909 года, — на физико-математическом факультете Московского университета. Студентом опубликовал две научные работы: первую — «Фотометрия разноцветных источников», и вторую, за которую получил золотую медаль, — «К кинетике термического выцветания красителей». Окончив университет в 1914 году по специальности «физика» с дипломом первой степени, получил предложение остаться при университете для подготовки к профессорскому званию, однако отклонил его в знак протеста против реакционной политики министра просвещения Л. А. Кассо.
В июле 1914 года поступил вольноопределяющимся в 25-й сапёрный батальон Московского военного округа. На протяжении Первой мировой войны Вавилов служил вначале рядовым, затем прапорщиком в различных технических частях российской армии. На фронте Сергей Иванович закончил экспериментально-теоретическую работу «Частота колебаний нагруженной антенны». Демобилизовался в феврале 1918 года.
В 1918—1932 годах работал в МВТУ (доцент, профессор), где читал курсы физики и теоретической светотехники, заведовал отделением физической оптики в Институте физики и биофизики Наркомздрава РСФСР, созданном и возглавляемом П. П. Лазаревым. Преподавал в Московском высшем зоотехническом институте (профессор) и в Московском государственном университете (приват-доцент, профессор, заведующий кафедрой). В 1919 году сдал экзамен на степень магистра физики при Московском университете.
В 1920 году женился на Ольге Михайловне Багриновской (1894—1978), дочери московского присяжного поверенного, помощника известного адвоката и судебного оратора Ф. Н. Плевако. В браке родился сын Виктор (1921—1999).
В 1926 году командирован в Германию для работы в Физическом институте Берлинского университета.
В 1929—1932 — действительный член Научно-исследовательского института физики при МГУ. В 1930—1932 — председатель производственной комиссии физического отделения МГУ.
31 января 1931 года С. И. Вавилов избран членом-корреспондентом, 29 марта 1932 года — действительным членом Академии наук СССР.
В сентябре 1932 года Вавилов был назначен научным руководителем Государственного оптического института (ГОИ), в связи с чем переехал в Ленинград, где проживал в 1932—1941 годах по адресу Биржевая линия, д. 12, кв.15, в 1941 и 1945—1946 — Биржевая линия, д.4, кв.3. Одновременно он возглавил Физический отдел расположенного в Ленинграде Физико-математического института АН СССР.
Во время Великой Отечественной войны Вавилов с женой был в эвакуации в Йошкар-Оле, где в это время работал ГОИ. Сын Виктор, военнослужащий, оставался в осаждённом Ленинграде. Возглавляемый Вавиловым ФИАН был эвакуирован в Казань.
1943 год — присуждена Сталинская премия за научные работы по физической оптике: «Теория концентрационного тушения флуоресценции растворов», «Теория концентрационной деполяризации флуоресценции в растворах» и «Визуальные измерения квантовых флуктуаций». Награждён орденом Ленина за успешную работу по развитию отечественной оптико-механической промышленности, выполнение заданий правительства по разработке новых образцов оптических приборов и научные достижения. В июне 1943 года назначен уполномоченным ГКО СССР по развитию и координации научной работы в области инфракрасной техники.
В 1945 году награждён вторым орденом Ленина за выдающиеся заслуги в развитии науки и техники в связи с 220-летием Академии наук.
17 июля 1945 года избран президентом АН СССР, сменив на этом посту В. Л. Комарова. В 1945 году по постановлению Совета Министров СССР при Академии наук был создан Совет по координации научной деятельности академий наук союзных республик, главным организатором и бессменным председателем которого был С. И. Вавилов.
1945—1951 — председатель Комиссий АН СССР по люминесценции и по истории физико-математических наук. Председатель Редакционно-издательского совета АН СССР. Главный редактор журнала «Доклады Академии наук СССР». Главный редактор издания АН СССР «Материалы к биобиблиографии учёных СССР». Заместитель (с 1949 года председатель) Физической секции Комитета по присуждению Сталинских премий.
В 1946 году Вавилов вместе с Черенковым, И. М. Франком и И. Е. Таммом получил Сталинскую премию за открытие и объяснение природы нового вида излучения. В 1946 и 1950 годах избирался депутатом Верховного Совета СССР, в 1947 — депутатом Московского городского Совета. 6 марта 1947 года вошёл в первый состав учёного совета физико-технического факультета МГУ (в дальнейшем — МФТИ).
1947—1951 — Председатель правления созданного по его инициативе Всесоюзного общества по распространению политических и научных знаний.
1948—1951 — главный редактор второго издания Большой советской энциклопедии. В июне—августе 1950 года во время летнего отдыха написал свой последний фундаментальный труд — «Микроструктура света».
В конце 1950 года здоровье С. И. Вавилова значительно ухудшилось — сказались перенесённые в период эвакуации заболевания сердца и лёгких. В декабре — январе находился на лечении в санатории Барвиха. Вернувшись из санатория 12 января 1951 года, председательствовал на расширенном заседании Президиума Академии наук. 25 января 1951 года в 4 часа 45 минут скончался от инфаркта миокарда. Похоронен на Новодевичьем кладбище (участок № 1).