Всю последующую жизнь Николай и Сергей были очень близки, трогательно заботясь друг о друге. Сохранилось одно из писем Николая Ивановича из США, относящееся к 1921 году, в котором он писал: «Для Сергея достал одну книжку, которую он одобрит — отчеты всех физиков о новейших работах... Только что вышла, но боюсь посылать по почте. Очень дорогая — 6 долларов, и в ней кое-что для меня». Строки эти говорят о многом: здесь и забота о брате, и полная осведомленность о его делах, и свидетельство близости научных интересов братьев, несмотря на различие профессий.
Профессор Фатих Хафизович Бахтеев вспоминал: на одном из вечеров Николай Иванович Вавилов направился к телефону, сказав при этом: «А ну, как там Сергей?» Позже Бахтеев узнал, что, как бы поздно Николай Иванович ни возвращался домой, он всегда звонил любимому брату и начинал с ним ежевечерний долгий разговор. Николай Иванович очень высоко ценил талант брата, часто говорил: «Я-то что! Вот Сергей — это голова!»
При большом сходстве и огромной дружбе братья были очень разные. Профессор Эдуард Владимирович Шпольский рассказывал автору этой книги, что в молодые годы Сергей Иванович мало интересовался политикой. Постоянной темой его разговоров была физика. Николай Иванович, напротив, всегда интересовался последними событиями и быстро разбирался в их существе.
Вскоре после Октябрьской революции Э. В. Шпольский попал вместе с Вавиловыми в один дом, где возникли споры относительно обстановки в стране. Большинство присутствующих склонялось к тому, что в России произошел бунт, что его подавят, и все пойдет по-старому. Николай Иванович резко возразил, что это не бунт, а революция, и каждый патриот должен встать на ее сторону, активно помогая своему народу.
Большое влияние на формирование естественнонаучного мировоззрения Сергея оказали публичные лекции в Политехническом музее, которые он вместе с братом регулярно посещал. Московский политехнический музей был основан в 1872 году Обществом любителей естествознания, антропологии и этнографии. В его аудиториях выступали с научно-популярными лекциями многие выдающиеся ученые того времени: физик Александр Григорьевич Столетов, «отец русской авиации» Николай Егорович Жуковский, физиолог Климент Аркадьевич Тимирязев, почвовед Василий Робертович Вильямс и многие другие.
Особое впечатление на братьев произвели выступления естествоиспытателя-революционера Николая Александровича Морозова, освобожденного после революции 1905 года из Шлиссельбургской крепости, где он провел в заточении двадцать четыре года. Сергей Иванович писал: «Я помню вдохновенные доклады Н. А. Морозова в 1906 году... вызвавшие восторг тогдашней молодежи».
Став известным ученым, С. И. Вавилов сам часто поднимался на трибуну Политехнического музея, рассказывая о последних достижениях физической науки.
Лекции в Политехническом музее нередко сопровождались демонстрациями опытов, которые Сергей спешил воспроизвести в своем сарае. Постепенно он приблизился к самостоятельным экспериментам, пытаясь объяснить некоторые непонятные ему явления. Правда, в постановке этих экспериментов еще не было системы. Обратив внимание на какой-либо эффект, мальчик начинал размышлять о его происхождении, старался придумать опыт, который подтвердил бы его догадки.
Одно время Сергей увлекался ботаникой. Обзаведясь определителем растений, собрал большой гербарий. Обратив внимание на то, что многие весенние цветы имеют желтую окраску и стремясь объяснить заинтересовавшее его явление, стал изучать труды К. А. Тимирязева. Вместе с братом пытался выяснить, остается ли живой лягушка зимой, проводил некоторые микробиологические опыты.
Будучи учеником седьмого класса, Сергей обнаружил, что заряженная посредством трения о школьные суконные штаны каучуковая гребенка быстро теряет электрический заряд в струе теплого воздуха, выходящего из стекла керосиновой лампы. Преподаватель Александр Александрович Мазинг, к которому он обратился с просьбой объяснить это явление, дал ему явно неверное толкование. Тогда юноша взялся за изучение фундаментального труда английского физика Джозефа Джона Томсона «Кинетическая теория» и выяснил, что причина обнаруженного явления лежит в ионизации нагретого газа.