Как историк науки Вавилов широко известен работами, посвященными И. Ньютону и М. В. Ломоносову. Перевел на русский язык «Оптику» Ньютона, составил к ней комментарии и примечания, написал научную биографию Ньютона, книгу о жизни и научной деятельности Ломоносова и др. В 1934 основал серию «Классики науки». Возглавлял (с 1938) Комиссию по истории Академии наук СССР. Значительное внимание уделял также философским вопросам естествознания, активно выступая против идеалистических концепций буржуазных философов и физиков. Широко известны его работы «Ленин и современная физика», «Новая физика и диалектический материализм». Вавилов талантливо совмещал научную деятельность с широкой популяризацией достижений науки, изучением ее истории. Образцом научно-популярного изложения являются его книги «Глаз и Солнце», «О теплом и холодном свете» и другие, вошедшие в золотой фонд советской научно-популярной литературы. Был одним из инициаторов создания Общества «Знание» и его первым председателем (с 1947).
Многое сделал для научного книгоиздания в СССР как председатель Редакционно-издательского совета АН СССР (с 1945), главный редактор 2-го издания БСЭ (с 1949) и член редколлегий ряда серий, журналов. Государственные премии СССР (1943, 1946, 1951). Создал школу физиков (И. М. Франк, П. А. Черенков. С. Н. Вернов, В. А. Фабрикант, П. П. Феофилов, Э. И. Адирович, Н. А. Добротин, А. Н. Севченко, М. Н. Аленцев, В. В. Антонов-Романовский, А. М. Бонч-Бруевич, Е. М. Брумберг, А. А. Власов. М. Д. Галанин, Л. В. Грошев, М. А. Константинова, В. Л. Лёвшин, З. Л. Моргенштерн, Б. Я. Свешников, Н. А. Толстой, В. С. Фурсов, И. А. Хвостиков, А. А. Шишловский и др.).
Член ряда академий наук и научных обществ. В 1951 Президиумом АН СССР учреждена золотая медаль имени С. И. Вавилова.
Имя С. И. Вавилова присвоено Институту физических проблем АН СССР и Государственному оптическому институту.