Вавилов провёл в Англии около года. В Мертоне и на ферме Кембриджского университета он высеял привезённые с собой образцы пшеницы, овса и ячменя, уже исследованные им на иммунитет в институте в 1911–1912 годах. Таким способом он проверил результаты, полученные в Подмосковье. В Англии он завершил работу над статьёй об иммунитете растений к грибковым заболеваниям и опубликовал её в журнале, основанном Бэтсоном. На русском языке это исследование, часть многолетней работы, было обнародовано позднее.

Николай Иванович занимался в Англии не только своей специальностью — иммунологией. Как всегда и всюду, он и тут интересовался многим. Следил за всем, что происходит в биологии, особенно в генетике, вызывавшей горячие споры; не обходил вниманием сельскохозяйственную науку, новинки агротехники. Немало времени провёл он в Линнеевском обществе, участвовал в научных заседаниях, изучал коллекции.

Из Лондона чета Вавиловых отправилась в Париж. Последним пунктом заграничной командировки была Германия, Йена, лаборатория известного биолога-эволюциониста Эрнста Геккеля, пропагандировавшего идеи Дарвина. Однако вскоре им пришлось прервать научную командировку и вернуться на родину, поскольку в Европе началась Первая мировая война. Николая Ивановича призывная комиссия от службы в армии временно освободила. Ещё в школьные годы он повредил себе глаз.

В 1916 году Вавилов посетил Северный Иран, Фергану и Памир. В этих путешествиях молодой учёный собрал интереснейший научный материал, который позволил ему сделать ещё два крупных открытия — установить законы гомологических рядов и центры распространения культурных растений.

Вскоре Россию всколыхнули революционные события. С 1917 года Вавилов постоянно живёт в Саратове, где преподаёт в университете. Его отец не признал новую власть, решив, что ни он ей не нужен, ни она ему не нужна. Собрал чемоданы, с которыми некогда ездил на ярмарки, да и отбыл в Болгарию. А спустя несколько дней после отъезда Ивана Ильича, 7 ноября 1918 года, появился на свет во флигеле на Средней Пресне его внук Олег Николаевич Вавилов. Только в 1926 году Николай Иванович уговорил отца вернуться, и сразу увёз его к себе в Ленинград. Екатерина Николаевна переехала с сыном к мужу в Саратов в 1919 году, когда Николаю Ивановичу предоставили, наконец, квартиру.

Вскоре выходит фундаментальная работа Вавилова «Иммунитет растений к инфекционным заболеваниям», в которой впервые в мировой науке были показаны генетические корни иммунитета. Это было крупнейшее открытие, после которого Вавилов вошёл в число ведущих биологов мира.

Работая в Саратове, Вавилов объездил Среднее и Нижнее Поволжье и там тоже собрал ценные научные материалы. О своём открытии Вавилов впервые рассказал на съезде селекционеров в 1920 году. Саратовский съезд вошёл в историю науки как одна из ярких её страниц. По его окончании в столицу отправлена была телеграмма: «На Всероссийском селекционном съезде заслушан доклад проф. Н. И. Вавилова исключительного научного и практического значения с изложением новых основ теории изменчивости, основанной главным образом на изучении материала по культурным растениям. Теория эта представляет крупнейшее событие в мировой биологической науке, соответствуя открытиям Менделеева в химии, открывает самые широкие перспективы для практики. Съезд принял резолюцию о необходимости обеспечить развитие работ Вавилова в самом широком масштабе со стороны государственной власти».

Спустя год после саратовского съезда Вавилов выступил с изложением закона гомологических рядов на Международном конгрессе по сельскому хозяйству, проходившем в США. За океаном открытие советского профессора произвело сильнейшее впечатление. Портреты Вавилова печатались на первых страницах газет. После съезда Вавилову удалось поработать в лаборатории крупнейшего генетика Томаса Моргана, знаменитого своей теорией наследственности.

Верный своему обыкновению продолжать работу в любых обстоятельствах, Николай Иванович ещё на пароходе, по пути в Америку, начал излагать закон гомологических рядов по-английски. На обратном пути он завершил её и, сделав остановку в Англии, передал рукопись Бэтсону. Одобрив работу, тот рекомендовал её к печати, и она вскоре была издана типографией Кембриджского университета отдельной брошюрой.

Позднее, в начале тридцатых годов, академик В. Л. Комаров писал: «Параллельную изменчивость заметили и указывали на неё и Жоффруа Сент-Илер, и ботаник Гордон, и Ч. Дарвин, но только Н. И. Вавилов изучил её в полной мере и изобразил точно и определённо».

Родственные виды и роды, гласит сформулированный Вавиловым закон, благодаря сходству их генотипов, в значительной мере повторяют друг друга в своей изменчивости. В близкородственных видах растений разные формы и разновидности образуют соответствующие друг другу ряды.

Вавилов признавал значительную роль внешней среды в эволюции растений. Но первостепенное значение он придавал внутренним особенностям самого растительного организма; пути эволюционного развития зависят, прежде всего, от природных возможностей самого организма. В эволюционном развитии организмов нет хаоса, как это может показаться. Несмотря на ошеломляющее многообразие форм живого, изменчивость укладывается в определённые закономерности. Вавилов предпринял смелую и вполне удавшуюся попытку вскрыть эти закономерности, приподняв ещё одну из завес, скрывающих тайны природы.

Мысль о единстве многообразия — главная в замечательном вавиловском труде. Далее Вавилов развивал мысль о необходимости систематического изучения разновидностей в пределах видов, что крайне важно и для генетики и для агрономии.

Открытие закона гомологических рядов обогатило биологию. Вместе с тем этот труд служит растениеводам и селекционерам для практических целей, для лучшего познания и использования растений. Последователи Вавилова в нашей стране и за рубежом накопили за истёкшие десятилетия огромный фактический материал, подтверждающий всеобщность открытого им закона. Позднее Вавилов обнародовал получившую также широкую известность работу о центрах происхождения культурных растений. Оба открытия вкупе сделались чем-то вроде ботанического компаса. Стало более очевидным, что, как и где искать в растительном мире планеты, который ещё недавно казался безбрежным.