Вернувшись, Ольга Михайловна поселилась у старшей, еще незамужней сестры Татьяны Михайловны, у которой были две небольшие комнаты в густо населенной квартире в Еропкинском переулке на Пречистенке (ныне Кропоткинская улица). Татьяна вышла замуж за Веснина и переехала к мужу. После свадьбы Ольги она передала свои две комнатки чете Вавиловых, где началась их полная житейских трудностей, но дружная жизнь. Э. В. Шпольский говорил, что невозможно было представить себе лучшую супружескую пару, чем Сергей Иванович и Ольга Михайловна.
С. Н. Ржевкин вспоминал, что всем друзьям и сослуживцам Сергея Ивановича Ольга Михайловна пришлась по душе. Она была интересным и обаятельным человеком. Вскоре образовалась компания, включавшая помимо семьи С. И. Вавилова семьи С. Н. Ржевкина, П. Н. Беликова, С. В. Кравкова, Э. В. Шпольского и других близких по духу людей. Встречались в Новый год, татьянин день и другие праздники.
В 1921 году у Вавиловых произошло радостное событие — родился сын Виктор. Сейчас Виктор Сергеевич, крупный специалист в области физики твердого тела, работает в Физическом институте Академии наук СССР
имени П. Н. Лебедева, где заведует сектором радиационной физики полупроводников в лаборатории полупроводников. Он профессор физического факультета МГУ, возглавляет в университете кафедру полупроводников. В. С. Вавилов — лауреат Государственной премии СССР.
Двадцатые годы... Разруха, неурожай, острая нехватка топлива, заботы, связанные с рождением ребенка. Даже за детскую коляску для маленького Вити пришлось заплатить 45 миллиардов рублей. Все это мешало работать. В 1921 году Николай Иванович Вавилов был послан в США для переговоров о поставках семян в Россию. Отказывая себе во всем, он посылал в Москву продовольственные посылки, стремясь поддержать родных в это трудное время. Эти посылки очень помогли семье Сергея Ивановича.
Оправившись после родов, Ольга Михайловна попыталась продолжить свое образование. Она стала брать уроки пения в филармонии у Марии Владимировны Владимировой, сестры Валерии Владимировны Барсовой. Однако сил не хватало, и занятия пришлось оставить. И все же, несмотря на все трудности, молодая женщина не утрачивала оптимизма.
Начало научной деятельности Сергея Ивановича Вавилова совпало с важными событиями в области физики — с появлением работ немецкого физика Макса Планка и датского физика Нильса Бора, заставивших пересмотреть общепринятую точку зрения на световые явления как на чисто волновые электромагнитные процессы. Эти работы заложили основу новых, квантовых, представлений о природе света. Без квантовой теории оказалось невозможным понять целый ряд эффектов, которые наблюдаются при взаимодействии света с веществом. Вместе с этим многие важнейшие оптические явления, такие, как интерференция, дифракция и поляризация света, хорошо объяснялись волновой теорией. Данные о природе световых явлений были чрезвычайно противоречивы. Квантовые представления только начинали завоевывать себе право на существование и требовали для своего подтверждения дополнительных тонких экспериментов. А пока сотрудники П. П. Лазарева даже само слово «квант» брали на бумаге в кавычки.
С. И. Вавилов очень интересовался природой световых явлений и на протяжении многих лет возвращался к ее рассмотрению. Цикл его работ в этой области начинается с исследования процессов поглощения и испускания света элементарными молекулярными системами. Ему принадлежит заслуга открытия квантовых свойств у многих явлений, считавшихся ранее типично волновыми и противоречащими квантовым представлениям. Сергей Иванович наглядно показал, что между волновыми и квантовыми свойствами света существует теснейшая связь.
В 1920 году в Институте для физических исследований С. И. Вавилов начал серию работ, посвященных выяснению границ применимости основного закона поглощения света при его прохождении через вещество, сформулированного еще в 1729 году французским физиком Пьером Бугером. Согласно этому закону, существует пропорциональная (линейная) зависимость между количеством поглощенного света в поглощающем слое вещества и интенсивностью падающего светового потока. Действительно, проходя через слой вещества, свет частично поглощается, ослабляясь определенное число раз. При увеличении или уменьшении интенсивности падающего светового потока, естественно, изменяется и интенсивность света, вышедшего из вещества, — она соответственно усиливается или ослабляется. Однако доля поглощенного веществом света, в соответствии с законом Бугера, в обоих случаях должна сохраняться постоянной.