Ознакомившись с научными изысканиями Де Фриза, Н. В. Вавилов, вернувшись в Россию в конце марта 1922 года выступил за вовлечение науки в создание сортовых ресурсов страны, продолжил расширение Отдела прикладной ботаники, стремясь превратить его в крупный центр сельскохозяйственной науки, приглашал учёных из других городов. Работа была направлена на выявление мирового разнообразия культурных растений с целью его дальнейшего использования для нужд страны.
Отдел прикладной ботаники и селекции в 1924 был реорганизован во Всесоюзный институт прикладной ботаники и новых культур, а в 1930 во Всесоюзный институт растениеводства (ВИР), руководителем которого Николай Иванович оставался до августа 1940.
С 1924 по 1927 год был проведён ряд внутрисоюзных и зарубежных экспедиций Афганистан (Н. В. Вавилов вместе с Д. Д. Букиничем первыми из европейцев проникли в Нуристан высокогорную провинцию Афганистана, в то время закрытую для иноземцев), Средиземноморье, Африка, в ходе которых учёный продолжал пополнять коллекцию образцов и изучение очагов возникновения культурных растений.
Н. И. Вавилов в воспоминаниях отмечал, что: «путешествие было, пожалуй, удачное, обобрали весь Афганистан, пробрались к Индии, Белуджистану, были за Гиндукушем. Около Индии добрели до финиковых пальм, нашли прарожь, видел дикие арбузы, дыни, коноплю, ячмень, морковь. Четыре раза перевалили Гиндукуш, один раз по пути Александра Македонского. Собрал тьму лекарственных растений». Отчёт об экспедиции объёмом 610 страниц стал основой книги «Земледельческий Афганистан», написанной им совместно с Д. Д. Букиничем.
За экспедицию в Афганистан Географическое общество СССР присудило Николаю Вавилову золотую медаль имени Н. М. Пржевальского «за географический подвиг». В 1925 году последовали экспедиции в Хивинский оазис и другие сельскохозяйственные районы Узбекистана. В последующие годы Н. И. Вавилов совершил экспедицию по странам Средиземноморья. Исследовательские работы им были проведены в Алжире, Тунисе, Марокко, Ливане, Сирии, Палестине, Трансиордании, Греции, Италии, Сицилии, Сардинии, Крите, Кипре, южной части Франции, Испании, Португалии, затем во Французском Сомали, Абиссинии и Эритрее. На обратном пути учёный ознакомился с земледелием в горных районах Вюртемберга (Германия). Караванные и пешие маршруты в этой экспедиции составили около 2 тысяч км. Собранный семенной материал, исчислялся тысячами образцов.
Ещё в середине 1920-х годов Н. В. Вавилов сформулировал представления о географических центрах происхождения культурных растений, а в 1926 году он опубликовал труд: «Центры происхождения культурных растений», за который ему была присуждена Премия имени В. И. Ленина. Теоретический труд учёного дал научную основу для целенаправленных поисков полезных растений, был использован в практических целях.
В 1927 году Н. В. Вавилов выступил на V Международном генетическом конгрессе в Берлине с докладом «О мировых географических центрах генов культурных растений», на конференции экспертов по сельскому хозяйству в Международном аграрном институте в Риме с докладом «Географические опыты по изучению изменчивости культурных растений в СССР». Конференция приняла решение присудить Николаю Ивановичу Золотую медаль за его работы по географическим посевам и постановила ввести географические посевы по системе Вавилова в мировом масштабе.
Как отмечает историк В. Д. Есаков: «Длительное отсутствие научного руководителя, вызванное проведением экспедиции в страны Средиземноморья, в которой Вавилов пробыл с июня 1926 по август 1927 года, привело к критике избранных исследовательских направлений, к упрёкам в отрыве от практики». В результате, Н. И. Вавилов ставит вопрос об отходе от руководства институтом, считая, что: « экспедиции Института во все части земного шара я считаю гордостью, а не академической прихотью, как это было заявлено на одном из заседаний, и не сомневаюсь, что в истории агрономических исследований они будут поставлены нашему учреждению на плюс, а не на минус». В 1929 году Вавилов с целью изучения особенностей сельского хозяйства совершил экспедиции в страны Восточной Азии: вместе с М. Г. Поповым в северо-западную часть Китая Синьцзян, а в одиночку в Японию, на Тайвань и в Корею.