Вавилов задумал издание сборников под названием «Ломоносов», посвященных творчеству великого ученого. Эти сборники должны были объединить всех советских ломоносоведов.
В 1940 году исполнилось сто семьдесят пять лет со дня смерти М. В. Ломоносова. По инициативе С. И. Вавилова комиссия по истории Академии наук СССР выпустила первый том такого сборника, который открывался предисловием, написанным самим Сергеем Ивановичем. Том содержал не только несколько прекрасных статей, глубоко исследующих творчество Ломоносова, в него были включены и некоторые неопубликованные труды ученого.
Второй том сборника увидел свет в 1946 году, третий вышел в 1951 году, спустя три месяца после смерти Сергея Ивановича. Этот том, как и первые два, был составлен и отредактирован им самим.
В 1940 году Сергей Иванович выступил с предложением организовать в Ленинграде ежегодные заседания памяти Ломоносова в день рождения ученого — 19 ноября и в день его смерти — 15 апреля. Война задержала осуществление этой идеи, однако, с 1944 года такие заседания стали регулярно проходить под руководством Вавилова, который привлекал на них в качестве докладчиков крупнейших историков науки.
При жизни Вавилова было проведено двенадцать ломоносовских заседаний, где были подведены итоги тридцати пяти исследований творчества Ломоносова. Первоначально заседания устраивались в различных помещениях академии, а с 1949 года, когда в Ленинграде был открыт Музей М. В. Ломоносова, постоянным их местом стал циркулярный зал бывшей Кунсткамеры академии.
После одного из докладов — о зеркальных телескопах Ломоносова — Вавилов предложил не ограничиваться только изучением архивных материалов, а попытаться найти и собрать в одно место русские оптические инструменты и другие научные приборы XVIII века. Со временем удалось создать уникальную коллекцию оптических инструментов, изготовленных в России во времена Ломоносова.
По инициативе Вавилова были организованы и «Ломоносовские чтения» для московской молодежи, перед которой с лекциями по истории отечественной науки выступали ведущие советские ученые. Чтения открылись в марте 1945 года в большом зале Политехнического музея докладом С. И. Вавилова «Ломоносов и русская наука», который по праву считается одной из лучших научнопопулярных работ о Ломоносове. Тексты лекций выпускались массовыми тиражами, и издания эти стали любимы широким кругом читателей.
В 1946 году Вавилов выступил с предложением начать подготовку нового академического издания трудов М. В. Ломоносова. До этого сочинения Ломоносова издавались девять раз, но все издания были неполными. Кроме того, некоторые работы ученого не были переведены с латинского языка на русский, что делало их недоступными для большинства читателей. Переписка Ломоносова также была опубликована лишь частично. Новое Собрание его сочинений в десяти томах, главным редактором которого стал С. И. Вавилов, должно было восполнить все эти пробелы. Труды Ломоносова, написанные на латинском языке, было решено воспроизвести как в оригинале, так и в переводе на русский язык.
К 1957 году издание было завершено. Сергей Иванович успел отредактировать лишь первые два тома. Желая подчеркнуть исключительную роль Вавилова в работе по изданию Собрания сочинений Ломоносова, редакционно-издательский совет Академии наук СССР принял постановление, согласно которому имя Вавилова было сохранено в списке членов главной редакции всего издания, несмотря на то, что бо́лышая часть томов вышла в свет уже после его кончины.
Крупнейшей заслугой Сергея Ивановича является организация только что упомянутого Музея М. В. Ломоносова. По его предложению решено было открыть этот музей при Институте энтографии Академии наук СССР, в старинном здании Кунсткамеры, где еще в 1714 году Петром I был основан первый русский музей — собрание древностей, всевозможных диковинок и монет. В здании Кунсткамеры долгие годы работал М. В. Ломоносов. В середине XVIII столетия оно сильно пострадало от пожара и с тех пор полностью не восстанавливалось. По инициативе С. И. Вавилова президиум Академии наук СССР принял постановление о реставрации здания Кунсткамеры, после чего оно приобрело первозданный вид.
Учреждения академии, Эрмитаж, Исторический музей и другие выделили ценнейшие экспонаты для экспозиции. С. И. Вавилов, страстный книголюб-коллекционер, не пожалел расстаться со многими своими сокровищами. Он передал в дар музею более тридцати редких книг из собственной библиотеки. Среди них были «Грамматика» Смотрицкого — книга, по которой Ломоносов в детстве учился грамоте, сочинения учителя Ломоносова Христиана Вольфа на латинском языке, немецкий перевод «Российской грамматики» Ломоносова, изданный в Петербурге в 1764 году. Особенно ценным подарком был двухтомный роман Ксенофонта Полевого «Михаил Васильевич Ломоносов», некогда принадлежавший Виссариону Григорьевичу Белинскому, с его многочисленными заметками на полях.