Як історик науки Вавилов широко відомий працями, присвяченими І. Ньютону і М. В. Ломоносову. Переклав російською мовою «Оптику» Ньютона, склав до неї коментарі і примітки, написав наукову біографію Ньютона, книгу про життя і наукову діяльність Ломоносова та ін. У 1934 заснував серію «Класики науки». Очолював (з 1938) Комісію з історії Академії наук СРСР. Значну увагу приділяв також філософським питанням природознавства, активно виступаючи проти ідеалістичних концепцій буржуазних філософів і фізиків. Широко відомі його праці «Ленін і сучасна фізика», «Нова фізика і діалектичний матеріалізм». Вавилов талановито поєднував наукову діяльність з широкою популяризацією досягнень науки, вивченням її історії. Зразком науково-популярного викладу є його книги «Око і Сонце», «Про тепле і холодне світло» та інші, що увійшли до золотого фонду радянської науково-популярної літератури. Був одним із ініціаторів створення Товариства «Знання» і його першим головою (з 1947).
Багато зробив для наукового книговидання в СРСР як голова Редакційно-видавничої ради АН СРСР (з 1945), головний редактор 2-го видання ВРЕ (з 1949) і член редколегій низки серій, журналів. Державні премії СРСР (1943, 1946, 1951). Створив школу фізиків (І. М. Франк, П. О. Черенков. С. Н. Вернов, В. О. Фабрикант, П. П. Феофілов, Е. І. Адирович, Н. О. Добротин, А. Н. Севченко, М. Н. Аленцев, В. В. Антонов-Романовський, О. М. Бонч-Бруєвич, Е. М. Брумберг, А. О. Власов. М. Д. Галанін, Л. В. Грошев, М. А. Константинова, В. Л. Льовшин, З. Л. Моргенштерн, Б. Я. Свешников, Н. О. Толстой, В. С. Фурсов, І. А. Хвостиков, А. А. Шишловський та ін.).
Член низки академій наук і наукових товариств. У 1951 Президією АН СРСР заснована золота медаль імені С. І. Вавилова.
Ім'я С. І. Вавилова присвоєно Інституту фізичних проблем АН СРСР і Державному оптичному інституту.