Nasceu em Moscovo, no Império Russo, e cresceu num período de rápida mudança industrial e agitação política. O apoio da família e uma boa formação escolar ajudaram a despertar a sua fascinação precoce pelas plantas e pela agricultura prática.

Iniciou a formação formal no Instituto Agrícola de Moscovo, estudando botânica, agronomia e fitopatologia. O instituto aproximou-o do trabalho de campo e do problema urgente das falhas de colheitas na Rússia.

Trabalhando com agrónomos e fitopatologistas russos, investigou como as culturas resistem a doenças fúngicas e a pragas. Esses estudos levaram-no à genética como explicação para a resistência herdada nas plantas.

Viajou para laboratórios de referência para aprender genética moderna e ciência das plantas, incluindo trabalho associado a William Bateson na Grã-Bretanha. A experiência reforçou o seu compromisso com métodos mendelianos e com a experimentação rigorosa.

Em plena Primeira Guerra Mundial, realizou trabalho de campo na Pérsia para estudar a diversidade das culturas e a resistência a doenças em ambientes severos. Recolheu sementes e observações que mais tarde moldaram as suas ideias sobre padrões geográficos na hereditariedade.

As Revoluções de Fevereiro e de Outubro abalaram as instituições russas, mas ele continuou a investigar e a ensinar apesar de escassez e incerteza. Defendeu que o melhoramento científico e a diversidade de sementes eram essenciais para alimentar um Estado fragilizado.

Assumiu um cargo académico de liderança e organizou estudos de melhoramento e de patologia voltados para aumentar a produtividade dos cereais. O trabalho ligou a genética à agricultura prática, alinhando a ciência com a recuperação do pós-guerra e com metas de segurança alimentar.

Propôs que espécies aparentadas exibem conjuntos paralelos de variações hereditárias, ajudando melhoradores a prever características úteis entre culturas. O conceito tornou-se um princípio organizador poderoso para a genética comparativa e para o trabalho de seleção.

Ajudou a transformar institutos de investigação vegetal em centros coordenados de recolha e preservação da diversidade agrícola global. Em Leninegrado, o armazenamento e a catalogação sistemáticos de sementes lançaram as bases de um dos grandes bancos genéticos do mundo.

Ao sintetizar dados das expedições, defendeu que a agricultura teve início em regiões geográficas específicas com diversidade excecional. Este quadro orientou futuras recolhas, conservação e melhoramento ao identificar áreas-chave como os Andes e a Etiópia.

Ele e as suas equipas reuniram variedades de trigo, leguminosas e frutas em paisagens agrícolas mediterrânicas e em estações de investigação. Essas amostras enriqueceram programas soviéticos de melhoramento e apoiaram o seu mapeamento da diversidade das culturas por região.

Enquanto a coletivização remodelava a agricultura, argumentou que variedades resilientes e diversidade genética importavam mais do que slogans. Dirigiu missões de recolha para assegurar sementes antes que variedades locais desaparecessem com mudanças rápidas de política.

Defendeu a genética mendeliana e o melhoramento experimental enquanto Trofim Lysenko ganhava apoio político para ideias anti-genéticas. O debate científico tornou-se cada vez mais perigoso à medida que a ideologia passou a decidir o que contava como "verdade".

No Instituto Vavilov, supervisionou investigadores, armazenamento de sementes e colaborações de melhoramento por toda a União Soviética. O instituto tornou-se um centro global de genética de culturas, mesmo quando o Grande Terror ameaçava cientistas independentes.

Com detenções a espalharem-se pela academia, os seus contactos internacionais e a insistência na genética atraíram escrutínio. Aliados desapareceram dos institutos e aumentou a pressão para endossar as alegações de Lysenko apesar de evidências contraditórias.

Foi detido durante trabalho de campo e acusado de sabotagem e espionagem, acusações comuns nas campanhas de segurança de Estaline. Interrogatórios e prisão afastaram-no da ciência enquanto políticas lysenkoístas apertavam o controlo sobre a biologia.

Durante o cerco nazi, os seus colegas no instituto protegeram milhares de acessos de sementes, recusando-se a comer as coleções comestíveis apesar da fome. O sacrifício garantiu a sobrevivência de uma diversidade genética insubstituível que ele tinha reunido.

Morreu sob custódia soviética após prolongada prisão, enfraquecido por subnutrição e condições duras. A sua visão científica perdurou através das coleções e teorias que mais tarde moldaram a conservação global e o melhoramento vegetal.