Щедро одаренному природой юноше было нелегко определить свой жизненный путь — столь широк был круг его интересов. Как и Николая, его совсем не привлекала карьера торгового служащего. Наконец он объявил родителям свое решение — поступать на физико-математический факультет Московского университета. Иван Ильич был очень огорчен. Рухнула надежда приспособить к коммерческой деятельности хотя бы младшего сына. Натолкнувшись в свое время на упорное сопротивление Николая, он, однако, не настаивал на своем желании.
Воплощение в жизнь планов Сергея оказалось делом непростым. Коммерческое училище было специализированным учебным заведением, его выпускники не имели аттестата, свидетельствовавшего о получении классического среднего образования, и были лишены права поступления в университет. Перед ними лежало два пути: либо работать по специальности, либо продолжать учение в Коммерческом институте.
Чтобы держать экзамены в университет, необходимо было сдать в объеме гимназии латинский язык. Это обстоятельство повлияло на судьбу Николая. Его первоначальной мечтой была медицина. Однако, не желая терять времени на изучение латыни, он поступил в Петровскую сельскохозяйственную академию. Сергей учел опыт брата и начал загодя самостоятельно изучать латинский язык. Это потребовало большого напряжения. Занятия шли успешно. За год Сергей освоил шестилетнюю гимназическую программу. Хорошее знание латинского языка дало ему возможность впоследствии свободно читать в оригинале классические произведения М. В. Ломоносова и И. Ньютона.
В июне 1909 года Сергей Вавилов окончил Коммерческое училище в основном с отличными оценками. Лишь по немецкому, французскому и английскому языкам, а также по математике и географии его знания были отмечены как хорошие. Кроме того, он сдал полный курс латинского языка за гимназию. Путь в университет был открыт.
В Московском университете
В те годы конкурсных экзаменов в университет не существовало. Для поступления достаточно было представить аттестат о получении классического среднего образования. Со студентов взималась довольно высокая плата за обучение (50 рублей за семестр), стипендий не было. Все это сильно ограничивало приток поступающих.
Осенью 1909 года Сергей Вавилов стал студентом физико-математического факультета Московского университета. Факультет был широкого профиля. Он имел два отделения: математических и естественно-исторических наук. На математическом отделении получали образование математики, механики, физики и астрономы, на естественно-историческом — химики, биологи, геологи и географы. Сергея интересовали как физика, так и химия. После некоторых колебаний он все же остановился на физике и стал заниматься на математическом отделении.
Долгие годы университет боролся за свою автономию. В 1863 году был принят устав, по которому правительственная опека над университетом была ослаблена. Должности ректора и деканов сделались выборными, правда, избранный ректор должен был утверждаться царем, а деканы, профессора и преподаватели — министром просвещения.
В 1884 году напуганное революционным движением и в частности выступлениями студенчества царское правительство добилось принятия нового устава, отменявшего университетскую автономию. Подбор университетских преподавателей целиком стал зависеть от министерства просвещения. При поступлении в университет молодые люди были обязаны предоставить свидетельство о политической благонадежности.
Революция 1905 года нанесла сильнейший удар по самодержавию. Создавая видимость социальных реформ, 27 августа 1905 года царь издал указ, который вновь восстанавливал автономию университета. В обязанность его администрации вменялось поддержание в университете порядка.
Сергею Вавилову повезло. В начале XX века в Московском университете работали многие знаменитые ученые. Математику читали Николай Николаевич Лузин, Дмитрий Федорович Егоров и Болеслав Корнелиевич Млодзеевский, механику — Николай Егорович Жуковский и Сергей Алексеевич Чаплыгин, астрономию — Витольд Карлович Цераский, Сергей Николаевич Блажко и Павел Карлович Штернберг. В числе физиков следует назвать Николая Алексеевича Умова, Петра Николаевича Лебедева, Александра Александровича Эйхенвальда.