Отдавая своего старшего сына в коммерческое училище, Иван Ильич Вавилов надеялся подготовить себе преемника.
Когда сын окончил училище, отец, желая склонить его к продолжению коммерческого образования, специально пригласил одного «магистра» экономических наук для того, чтобы он научно обосновал и разъяснил сыну «почетность коммерции и промышленности, их необходимость для общества».
В течение недели Николай Иванович слушал лекции этого «ментора» по истории торговли и промышленности «от финикиян до наших дней» и после этого заявил отцу, что его намерение изучать естественные науки в 1высшей школе не изменилось. Отец не стал препятствовать этому.
В 1906 году Николай Иванович поступил в Московский сельскохозяйственный институт. Такой выбор он сам объясняет следующим: «В 1905—1906 гг. пишущему эти строки, кончавшему в то время среднюю школу, пришлось решать, куда идти. Медицина, естествознание, агрономия— к ним влекло больше всего.
В 1905—1906 гг. в Московском Политехническом музее шли замечательные курсы лекций, посещаемые нашими учителями, а по их совету и нами. Морозов, Муромцев, Хвостов, Реформатский, Вагнер, Кулагин, Худяков — один сменял другого. Из них особенно ярки были выступления Н. Н. Худякова. Задачи науки, ее цели, ее содержание редко выражались с таким блеском. Афоризмы Н. Н. Худякова врезывались в память. Основы бактериологии, физиологии растений превращались в философию бытия. Блестящие опыты дополняли чары слов. И стар и млад заслушивались этими лекциями.
Горячую пропаганду за Петровскую академию вели Я. Я. Никитинский старший и С. Ф. Нагибин — наши учителя в средней школе.
Высшую сельскохозяйственную школу, находящуюся под Москвой в Петровско-Разумовском (ныне Московская сельскохозяйственная академия имени К. А. Тимирязева), когда она была Петровской земледельческой и лесной академией и Московским сельскохозяйственным институтом, часто называли Петровской академией или просто Петровкой.
Лекции Н. Н. Худякова, незабываемая первая ботаническая экскурсия с ними в Разумовское, агитация Я. Я. Никитинского решили выбор».
Итак, выбор высшего учебного заведения был сделан не случайно, а продуманно, в соответствии о ясно сложившимся желанием получить определенные знания и в дальнейшем работать в этой области.
В высшую школу Н. И. Вавилов пришел хорошо подготовленным: был достаточно знаком с основами естествознания, знал многие классические работы из этого раздела науки, а также свободно владел немецким, французским, английским и итальянским языками. Он искренне жаждал получить новые знания, чтобы потом развить и использовать их для блага общества.
Московский сельскохозяйственный институт в то время во многом отличался от других высших учебных заведений, как методами преподавания, так и хорошим учебным оборудованием, что позволяло студентам вести самостоятельно научные работы и приобретать необходимые практические навыки по всем специальностям.
В то время там были сосредоточены крупнейшие научные силы. Кафедрами частного земледелия и агрохимии руководил Д. Н. Прянишников, физиологии растений и бактериологии — Н. Н. Худяков, селекции и семеноводства — Д. Л. Рудзинский, почвоведения и общего земледелия— В. Р. Вильямс, минералогии и геологии — Я. В. Самойлов, зоологии и энтомологии — Н. М. Кулагин, ботаники и фитопатологии — С. И. Ростовцев, физики и метеорологии — В. А. Михельсон, неорганической и аналитической химии — И. А. Каблуков, органической химии — Н. Я. Демьянов, лесоводства — Н. С. Нестеров, сельскохозяйственной экономии и статистики — А. Ф. Фортунатов, сельскохозяйственных машин и орудий — В. П. Горячкин, общей зоотехнии — Е. А. Богданов, частной зоотехнии — М. Ф. Иванов и М. И. Придорогин, сельскохозяйственной технологии — Я. Я. Никитинский и приват-доцентский курс сельскохозяйственного опытного дела читал А. Г. Дояренко.
Александра Михайловна Вавилова с детьми: Николаем (справа) и Сергеем
Петровка, овеянная былой славой самой вольной школы в России, во время пребывания в ней Н. И. Вавилова (1906—1911), то есть в самую жесткую пору царской реакции после 1905 года, еще сохраняла следы своих славных традиций. Это было время, когда в Петровской академии студенты и преподаватели составляли одну большую дружную семью. Студенты буквально «ловили идеи» у профессоров и очень скоро становились самостоятельными исследователями. От профессоров не требовалось «натаскивания студентов», но студенты настойчиво требовали от них знаний, соответствующих уровню новейших достижений мировой науки.
Преподавание все еще велось по «предметной системе». Студент сам мог устанавливать для себя порядок лекций и занятий. Так, Н. И. Вавилов, будучи хорошо подготовлен по химии и ботанике в средней школе, слушал на первом курсе лекции по физиологии растений и почвоведению. В первый же год он сдал экзамен по физиологии растений у профессора Н. Н. Худякова. Это был его первый экзамен в Петровке.
Затем он очень скоро прошел практические занятия по бактериологии под руководством А. В. Генерозова, ассистента профессора Н. Н. Худякова. Выполнив самостоятельно около десяти работ и освоив микроскопическую технику, он чувствовал себя, по его выражению, уже «маленьким бактериологом».
Достаточно серьезно Н. И. Вавилов приобщился к научной работе в лаборатории профессора Д. Н. Прянишникова, где в числе других студентов проводил вегетационные опыты по изучению питания растений. Работа студентов в этой лаборатории была очень надежным испытанием их исследовательских склонностей. У Николая Ивановича эта склонность была замечена почти всеми преподавателями сразу же, как только он появился в Петровской академии.
Руководители ряда кафедр старались привлечь студента Н. И. Вавилова к своей работе. Первую научную тему он провел при кафедре зоологии и энтомологии у профессора Н. М. Кулагина, изучая голых слизней (улиток) как вредителей озимых посевов в Московской области. В результате этих исследований Н. И. Вавилов написал работу «Полевые слизни, вредители полей и огородов. Опыт монографии». Она была опубликована Московским губернским земством в 1910 году и удостоена премии Московского Политехнического музея имени Анатолия Петровича Богданова. Затем эта работа была зачтена ему как дипломная.
Первый научный доклад на тему «Дарвинизм и экспериментальная морфология» Н. И. Вавилов сделал в начале 1909 года на торжественном заседании, устроенном в Петровской академии в связи со 100-летием со дня рождения великого английского естествоиспытателя Чарлза Дарвина.
В студенческие годы Н. И. Вавилов очень много и напряженно работает: слушает лекции, посещает практические занятия, ведет научные исследования, выступает с докладами, изучает литературу. Он ведет и большую общественную работу, например принимает живейшее участие в организации студенческого кружка любителей естествознания, который и до сих пор существует в Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.
Будучи студентом, Н. И. Вавилов принимает участие в работе XII съезда русских естествоиспытателей и врачей (в секциях химии, ботаники, географии, этнографии, энтомологии и агрономии), проходившего в Москве с 28 декабря 1909 года по 6 января 1910 года. На этом съезде Н. И. Вавилов познакомился с С. Ф. Третьяковым, директором одной из лучших в то время Полтавской сельскохозяйственной опытной станции, и в том же году (февраль — сентябрь 1910 года) прошел производственную практику у него на станции. Здесь Н. И. Вавилов показал себя самостоятельным, инициативным научным работником. Работа практиканта закончилась посылкой его на Екатеринославскую сельскохозяйственную выставку с экспонатами Полтавской опытной станции.
На первом съезде Деятелей по селекции сельскохозяйственных растений, семеноводству, который состоялся 10—15 января 1911 года в Харькове, Николай Иванович уже выступает с критикой результатов исследования профессора Набоких об испаряемости влаги ксерофитами и гидрофитами.
Еще в годы учебы в Петровской академии у Н. И. Вавилова появляется интерес к географическим исследованиям. Так, кроме постоянных экскурсий с товарищами в окрестности Москвы, летом 1908 года он с небольшой группой членов студенческого кружка любителей естествознания проделал значительный караванный маршрут по Северному Кавказу и Закавказью, собирая местные растения и изучая приемы земледелия.