Работа «Тепловое выцветание красок» была первым научным успехом Сергея Вавилова. Здесь проявились его способности тонкого исследователя. По своему экспериментальному уровню и глубине теоретического рассмотрения она стала в один ряд с лучшими работами лебедевской школы. По словам Т. П. Кравца, своей первой научной статьей Сергей Иванович Вавилов «вошел в строй работающих физиков, и в частности в круг идей школы Лебедева — Лазарева».
Исследование Сергея Ивановича было опубликовано в 1914 году. Второй, более полный вариант статьи увидел свет в 1918 году. Работа принесла автору официальное признание — Общество любителей естествознания, антропологии и этнографии при Московском университете в 1915 году присудило ему за нее золотую медаль.
Сергей Иванович умел сочетать труд с отдыхом, что было также в духе традиций лебедевской школы. Сам Лебедев был разносторонним человеком. Он любил музыку, часто бывал на концертах, в театре, интересовался живописью, литературой. Сильным увлечением Петра Николаевича был альпинизм. Разносторонность интересов учитель старался привить и своим ученикам. Заключительное заседание своего коллоквиума перед отпуском он всегда посвящал рассмотрению планов проведения каникул. Показывались диапозитивы, выбирались увлекательные маршруты путешествий.
В школьные годы Сергей испытывал вечные трудности на уроках гимнастики. «У меня толку никакого не выходило, — вспоминал он. — Я сваливался с турников, разбивал себе нос в кровь, не мог перескакивать через «кобылку», взбираться по шесту. Всю жизнь не имел никакого пристрастия к спорту, вероятно, вследствие органической неспособности — «никаких бицепсов». Гимнастику впоследствии мне заменила война, езда верхом».
В период студенчества Сергей увлекся путешествиями. Во время летних каникул он два раза посетил Италию, побывал в Австрии и в Швейцарии. Во время поездок за границу он изучал искусства — живопись, скульптуру и архитектуру, которые доставляли ему величайшее наслаждение.
Вместе с тем он записал в дневник: «В сущности говоря, я рад, что наслаждение искусством отравляется для меня тоской по науке... Наука, наука — вот мое дело, бросить все и заняться только физикой».
Прощаясь с Италией, Сергей записывает: «Попал я сюда, чтобы поклониться праху Галилея. Почивайте с миром и Данте, и Россини, вы сделали много хорошего, но, кроме Галилея, никто не сделал серьезного. Пусть этот мой почти последний поклон Италии будет поклоном не искусству, а науке. Здесь, около могилы Галилея, почти клянусь делать только дело, и серьезное, то есть науку. Пусть ничего не выйдет, но будет удовлетворение».
В студенческие годы не ослабли связи Сергея со школьным учителем Иваном Евсеевичем Евсеевым. Они часто встречались, нередко вместе проводили каникулярное время. Вместе с Евсеевым и школьными товарищами Сергей Иванович посетил Новгород и Псков, путешествовал по Волге, ездил в пушкинские места — Михайловское, Тригорское, Святые Горы.
В то время Евсеев был избран председателем Общества преподавателей графических искусств, которое издавало свой периодический журнал «Известия». Иван Евсеевич часто печатался в журнале. По-видимому, он и посоветовал Сергею Ивановичу рассказать на его страницах о своих путешествиях по Италии.
Вавилову эта мысль понравилась. В 1914 и 1916 годах на основе своих путевых заметок он опубликовал в «Известиях» две статьи об итальянских городах Верона и Ареццо. Статьи, необычайно живые, содержат много интересных исторических сведений. В них Вавилов вместе с читателем совершает увлекательные экскурсии по музеям, соборам и другим достопримечательным местам знаменитых городов. Рассказ проиллюстрирован фотографиями. Читая статьи, с трудом веришь, что они написаны не искусствоведом, а студентом-физиком.
Уже будучи президентом Академии наук СССР, Сергей Иванович иногда вечерами подолгу листал альбом с репродукциями Леонардо да Винчи или какого-либо другого итальянского художника и засыпал, по-детски прижав его к себе. Общение с искусством давало могучий запал, столь необходимый для успешной творческой работы.
Глубокий интерес к итальянской живописи сделал Сергея Ивановича большим знатоком в этой области. Академик Бенцион Моисеевич Вул рассказывал, что однажды, когда Вавилов был уже президентом академии, ему показали полотно неизвестного итальянского художника, которое было обнаружено в запасниках Эрмитажа. Внимательно рассмотрев картину, Сергей Иванович назвал предполагаемого автора. Экспертиза подтвердила справедливость его заключения.