W 1934 r. Pawieł Czerenkow, aspirant Wawiłowa, odkrył niezwykłe zjawisko polegające na wzbudzaniu świecenia cieczy przez promienie β pochodzące z preparatów promieniotwórczych (promieniowanie Czerenkowa). Wawiłow wraz z Ilją Frankiem i Igorem Tammem wytłumaczył to zjawisko jako świecenie elektronu, który porusza się w danej cieczy z prędkością większą od prędkości fazowej światła w tej cieczy.
Wawiłow, wybrany w 1932 r. na rzeczywistego członka Akademii Nauk ZSRR, był uczonym przejawiającym żywe zainteresowanie badaniami historycznymi. Przeprowadził m.in. ciekawą analizę prac optycznych Newtona.
W 1945 r. został wybrany prezesem Akademii Nauk ZSRR i pozostał na tym stanowisku do śmierci.
Niezwykle było u tego uczonego, tak zamiłowanego w badaniach podstawowych, przekonanie o konieczności jak najściślejszego twórczego związku nauki z praktyką z produkcją (np. rozpowszechnianie metody analizy luminescencyjnej, opracowanie lamp luminescencyjnych).
Wawiłow opublikował ponad 100 prac oryginalnych oraz wielką liczbę popularnych. Wyniki 30-letnich badań zebrał i uogólnił w swojej ostatniej publikacji pt. Mikrostruktura światła (1950).