В 1929 году он был назначен президентом Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук имени В. И. Ленина (ВАСХНИЛ), организованной на базе Государственного института опытной агрономии, который Вавилов возглавлял с 1923 года. Здесь он направил свою энергию на организацию системы научных институтов сельскохозяйственного профиля. За первые три года работы Вавилова на этом посту были созданы институты зернового хозяйства на Северном Кавказе, в Сибири, на Украине и юго-востоке европейской части страны, появились институты овощного хозяйства, плодоводства, прядильных лубо-волокнистых растений, картофельного хозяйства, риса, виноградарства, кормов, субтропических культур, лекарственных и ароматических растений и другие всего около 100 научных учреждений. Всесоюзный институт растениеводства стал одним из головных институтов новой академии.
В 1930 году, Н. И. Вавилов возглавил Генетическую лабораторию АН СССР в Ленинграде, а вскоре она была преобразована в Институт генетики АН СССР, который он возглавлял с 1934г. до 1940г., вплоть до своего ареста.
В 1930 году учёный организовал II Международный конгресс почвоведов в Москве, участвовал (по приглашению Корнельского университета, США) в Международной конференции по сельскохозяйственной экономике, а после неё совершил экспедицию по американскому континенту: он объехал все южные штаты США от Калифорнии до Флориды, пересёк двумя маршрутами горные и равнинные районы Мексики, Гватемалу.
На V Международном ботаническом конгрессе, проведённом в 1930 году в Кембридже, учёный выступил с докладом «Линнеевский вид как система». Он выступал также на IX Международном конгрессе по садоводству в Лондоне.
В начале 1930-х годов, будучи уже академиком и крупным научным руководителем, Н. И. Вавилов поддержал работы молодого агронома Т. Д. Лысенко, сотрудника Всесоюзного института селекционного воздействия низких положительных температур на семена. В 1931 году на совещании в Наркомземе Вавилов выступил с докладом «Новые пути исследовательской работы по растениеводству», в котором был затронут вопрос об исследовании вегетационного периода растений и возможного сокращения этого периода. Были упомянуты работы Х. А. Алларда и В. В. Гарнера, Г. С. Зайцева, в том числе Т. Д. Лысенко (из генетического института в Одессе) по яровизации превращению озимых культур в яровые путём предпосевного. Преимуществом его экспериментов Николай Иванович считал возможность управления продолжительностью вегетационного периода и что предложенный метод будет эффективным в селекции, что позволит полнее использовать мировую коллекцию полезных растений ВИРа для выведения путём гибридизации высокопродуктивных, устойчивых к заболеваниям, засухе и холоду культурных растений. В частности, одним из главных преимуществ яровизации Вавилов считал её потенциальное использование в селекционных работах как возможное средство синхронизации цветения растений, которые не вызревали в климате Советского Союза (проблема, которую пытался решить коллектив Вавилова).
Выступая на VI Международном генетическом конгрессе в США в 1932 году, Н. И. Вавилов заявил, что: «замечательное открытие, недавно сделанное Т. Д. Лысенко в Одессе, открывает новые громадные возможности для селекционеров и генетиков Это открытие позволяет нам использовать в нашем климате тропические и субтропические разновидности»
В 1932 году Н.И.Вавилова избрали вице-президентом VI Международного конгресса по генетике, проведённого в Итаке. На нём была представлена коллекция ВИРа, собранная во время последней американской экспедиции. После конгресса он объехал ряд провинций Канады и затем полгода обследовал земледельческие районы стран Центральной и Южной Америки: Сальвадора, Коста-Рики, Никарагуа, Панамы, Перу, Боливии, Чили, Аргентины, Уругвая, Бразилии, Тринидада, Кубы, Пуэрто-Рико и других, всего 17 стран.
В итоге были опубликованы: «Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции», начали издаваться многотомные сводки «Культурная флора СССР» и «Биохимия культурных растений», было издано руководство «Теоретические основы селекции растений» (1935), «Руководство по апробации сельскохозяйственных культур», большое количество сборников и монографий. Н. В. Вавилов создал целую школу исследователей культурных растений, заслужившую признание в мировой науке.