В 1913 г. Н.И. Вавилов отправляется в Англию и проводит несколько месяцев в лаборатории знаменитого биолога У. Бетсона. С ним вместе за рубеж отправилась и жена.
Вавилов провел в Англии около года. В Мертоне и на ферме Кембриджского университета он высеял привезенные с собой образцы пшеницы, овса и ячменя, уже исследованные им на иммунитет в институте в 1911–1912 гг.
Из Лондона Вавиловы отправились в Париж. Последним пунктом заграничной командировки была Германия, Йена, лаборатория известного биолога-эволюциониста Эрнста Геккеля, пропагандировавшего идеи Дарвина. Однако вскоре им пришлось прервать научную командировку и вернуться на родину, поскольку в Европе началась Первая мировая война. Николая Ивановича призывная комиссия от службы в армии временно освободила. Еще в школьные годы он повредил себе глаз.
В 1916 г. Вавилов посетил Северный Иран, Фергану и Памир. В этих путешествиях молодой ученый собрал интереснейший научный материал, который позволил ему сделать еще два крупных открытия – установить законы гомологических рядов и центры распространения культурных растений.
С 1917 г. Вавилов постоянно живет в Саратове, где преподает в университете. Его отец не признал новую власть, решив, что ни он ей не нужен, ни она ему. Собрал чемоданы, с которыми некогда ездил на ярмарки, и отбыл в Болгарию. А спустя несколько дней после отъезда Ивана Ильича, 7 ноября 1918 г., появился на свет его внук Олег Николаевич Вавилов. Только в 1926 г. Николай Иванович уговорил отца вернуться, и сразу увез его к себе в Ленинград. Екатерина Николаевна переехала с сыном к мужу в Саратов в 1919 г.
Вскоре выходит фундаментальная работа Вавилова «Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям», в которой впервые в мировой науке были показаны генетические корни иммунитета. Это было крупнейшее открытие, после которого Вавилов вошел в число ведущих биологов мира.
Работая в Саратове, Вавилов объездил Среднее и Нижнее Поволжье и там тоже собрал ценные научные материалы. О своем открытии Вавилов впервые рассказал на съезде селекционеров в 1920 г.
Спустя год после саратовского съезда Вавилов выступил с изложением закона гомологических рядов на Международном конгрессе по сельскому хозяйству, проходившем в США. За океаном открытие советского профессора произвело сильнейшее впечатление. Портреты Вавилова печатались на первых страницах газет. После съезда Вавилову удалось поработать в лаборатории крупнейшего генетика Томаса Моргана, знаменитого своей теорией наследственности.
Верный своему обыкновению продолжать работу в любых обстоятельствах, Николай Иванович еще на пароходе, по пути в Америку, начал излагать закон гомологических рядов по-английски. На обратном пути он завершил ее и, сделав остановку в Англии, передал рукопись Бэтсону. Одобрив работу, тот рекомендовал ее к печати, и она вскоре была издана типографией Кембриджского университета отдельной брошюрой.
Родственные виды и роды, гласит сформулированный Вавиловым закон, благодаря сходству их генотипов, в значительной мере повторяют друг друга в своей изменчивости.
Мысль о единстве многообразия – главная в замечательном вавиловском труде. Далее Вавилов развивал мысль о необходимости систематического изучения разновидностей в пределах видов, что крайне важно и для генетики и для агрономии.
Позднее Вавилов обнародовал получившую также широкую известность работу о центрах происхождения культурных растений. Оба открытия вкупе сделались чем-то вроде ботанического компаса.
Применение нового закона позволило Вавилову поставить вопрос и о том, что все культурные растения Земли произошли из нескольких генетических центров. В начале 1921 г. Вавилова вместе с группой сотрудников приглашают в Петроград, где в Царском Селе он организует Всесоюзный институт растениеводства.
Жена предпочла остаться в Саратове, найдя себе работу по агрономической части. Основания для такого решения у нее были. Она знала, либо догадывалась, что Николай Иванович увлечен другой женщиной. Елена Ивановна Барулина, студентка, а потом аспирантка Николая Ивановича, разделявшая его чувства, в середине двадцатых годов прибыла в Ленинград и формально вступила в брак с Вавиловым. А в 1928 г. у четы Вавиловых родился сын Юрий.