Сергей Иванович Вавилов родился в Москве 24 марта 1891 г. Его отец — Иван Ильич Вавилов — выходец из крестьян, двенадцатилетним мальчиком попал в Москву и, благодаря выдающимся деловым способностям и энергии, прошел нелегкий трудовой путь от приказчика знаменитой Трехгорной мануфактуры до одного из директоров компании. В 1918 г. он эмигрировал в Болгарию, а в 1928 г. с помощью старшего сына Николая вернулся в Россию, и в том же году умер. Мать, Александра Михайловна, урожденная Постникова, была дочерью художника, резчика по дереву и гравера, работавшего на Прохоровской мануфактуре. В семье было четверо детей. Старший из сыновей — Николай Иванович — всемирно известный биолог и растениевод. Сергей Иванович был младшим сыном.
В 1909 г. С. И. Вавилов окончил Московское коммерческое училище на Остоженке, где особое внимание уделялось изучению естественнонаучных дисциплин и иностранных языков, и где Вавилов предпринял первые попытки самостоятельных исследований. В этом же году Вавилов поступил на физико-математическое отделение МГУ. Уже с первого курса Сергей Вавилов приступил к исследовательской работе по теме «Тепловое выцветание красок», за которую в 1915 г. Общество любителей естествознания, антропологии и этнографии присудило Вавилову золотую медаль. В 1910–1911 гг., когда значительная часть либеральной профессуры покинула университет в знак протеста против политики министра просвещения, Вавилов перенес работу в частную лабораторию профессоров П. Н. Лебедева и П. П. Лазарева.