В «Барвиху» к С. И. Вавилову приезжал профессор Б. Я. Свешников, который по его поручению работал над большой статьей об основателе хроматографического абсорбционного анализа М. С. Цвете, предназначенной для подготавливаемой к печати книги о его трудах. Зная о том значении, которое придавал С. И. Вавилов работам Цвета, Б. Я. Свешников не решался отправить статью в печать, не показав ее Сергею Ивановичу.
В санатории Сергей Иванович завершил свой последний литературный труд — редактирование перевода монографии П. Прингсгейма «Флуоресценция и фосфоресценция». Как всегда, он очень тщательно выполнил работу, сделал для русского перевода книги много примечаний, носящих принципиальный характер, написал очень интересное предисловие. Получив эту книгу, читатели увидели фамилию Вавилова в траурной рамке.
Академик М. А. Марков говорил, что Вавилов никогда не казался ему старым человеком, несмотря на то, что он был намного старше Маркова. В глазах всех он был вечно молодым. Уже после его смерти стали вспоминать, как медленно он поднимался по лестницам в последние годы, как тяготил его тяжелый портфель. Однако усилием воли он всегда преодолевал слабость и становился прежним Вавиловым — быстрым, веселым, собранным.
12 января 1951 года, не отбыв в санатории положенного срока, Вавилов вернулся в Москву и принялся за работу. Однако дни его были сочтены. Последний день его жизни — 24 января 1951 года, как всегда, был очень насыщенным. С утра он приехал в ФИАН. Была среда — традиционный день коллоквиума. В повестке дня стояло сообщение Зинаиды Лазаревны Моргенштерн, которая должна была рассказать о результатах своих исследований по люминесценции алмазов (работа проводилась под руководством Вавилова). Сергей Иванович начал заседание шуткой: сказал, что сегодня Зинаида Лазаревна расскажет про свои фамильные бриллианты. Шутка и добрая улыбка Сергея Ивановича сразу сделали обстановку непринужденной.
После заседания Вавилов побывал в лаборатории Евгения Евгеньевича Букке, который работал над совершенствованием люминесцентных ламп для освещения улиц. Посетил он и лабораторию Зинаиды Алексеевны Транпезниковой. Среди дня Сергей Иванович ездил на стройку нового здания ФИАНа. Вернувшись в президиум, занимался текущими делами, встречался с сотрудниками Большой советской энциклопедии, вносил коррективы в принесенные ими материалы. Наталия Алексеевна Смирнова рассказывала, что на первых листах исправления были сделаны аккуратным и четким почерком, затем почерк изменился, стал расплывчатым. Видно, Сергей Иванович работал через силу.
Конец дня С. И. Вавилова Н. А. Смирнова описывает так: «Никогда не забуду последний вечер 24 января. Сергей Иванович задержался в президиуме. Последним у него долго был академик П. Ф. Юдин, приехавший из Китая. Он рассказывал Сергею Ивановичу о своей поездке, беседа была веселой и оживленной. Из кабинета доносился смех. Когда П. Ф. Юдин наконец ушел, Сергей Иванович вышел из кабинета, попрощался с нами, увидел сидящего около моего стола И. Д. Папанина, остановился и сказал ему: «Иван Дмитриевич, надо выполнять распоряжения президиума» (не помню, по какому поводу это было сказано). Потом пошел к дверям, опять остановился и сказал, обращаясь к нам: «Завтра буду, как всегда, в час». Но не пришел уже никогда».
Вернувшись домой, Сергей Иванович сразу лег и заснул. Около полуночи он почувствовал себя плохо. Пришлось звонить врачам. Приехали профессора Владимир Никитич Виноградов, Мирон Семенович Вовси и Борис Григорьевич Егоров. После принятых ими мер больному стало получше. Он уговорил врачей ехать домой, извинившись за напрасное, как он сказал, беспокойство. Через несколько часов приступ повторился. Под утро Сергея Ивановича не стало. Он не дожил двух месяцев до своего шестидесятилетия, которое научная общественность готовилась широко отметить.
Вспоминая о С. И. Вавилове, академик А. А. Лебедев писал, что это был человек необычайно дисциплинированный, человек долга, человек слова, человек исключительных интеллектуальных и моральных качеств. На таких людях спокойно может держаться земля. Они оставляют после себя глубокий след, на их примере воспитываются молодые поколения, память о них свято хранят в своих сердцах все, кому посчастливилось с ними работать.
25 января состоялось траурное заседание президиума Академии наук СССР. С речами выступили академики Иван Павлович Бардин, Александр Васильевич Топчиев, Вячеслав Петрович Волгин, Иван Георгиевич Петровский, Александр Иванович Опарин, заместитель директора ФИАНа Вадим Леонидович Левшин. Все говорили о выдающихся заслугах Сергея Ивановича Вавилова перед Родиной. И. П. Бардин сказал: «Он умер, как солдат, стоя на посту до последних мгновений жизни».