С 1932 г. он возглавляет физическую лабораторию, а с 1934 г. – вновь образованный на ее основе Физический институт Академии наук, выделившийся в самостоятельное учреждение из Физико-математического института. По предложению Вавилова, Физический институт стал носить имя П.Н. Лебедева. По инициативе основателя Государственного оптического института академика Д.С. Рождественского Вавилов был в 1932 г. назначен научным руководителем ГОИ.
Его деятельность на этом посту была чрезвычайно плодотворной и на многие годы предопределила структуру и основные направления работ этого крупнейшего научного центра, охватывавшие все основные проблемы оптики, включая изготовление оптического стекла, разработку сложнейших оптических приборов и решение огромного комплекса важнейших прикладных научных задач, а также теоретических вопросов оптических явлений.
Одним из собственных главных направлений научных исследований Вавилова были проблемы физической оптики и одного важного ее раздела – люминесценции. В ГОИ им была создана специальная лаборатория, которой он руководил многие годы, даже после того, как из-за огромной нагрузки по другим работам был вынужден отказаться от научного руководства этим институтом.
После перевода в 1934 г. Академии наук из Ленинграда в Москву Физический институт под руководством Вавилова быстро превратился в крупнейший многопрофильный физический научный центр. Главной его заботой в процессе развития ФИАН было привлечение высококвалифицированных научных кадров. В институт были приглашены выдающиеся физики – Л.И. Мандельштам, Г.С. Ландсберг, Н.Д. Папалекси, И.Е. Тамм, Н.Н. Андреев, Д.В. Скобельцын и другие. Особое внимание Вавилов уделял подготовке молодых кадров – физиков в различных направлениях физической науки. Среди представителей молодого поколения физиков довоенного призыва, прошедших фиановскую школу при Вавилове, можно назвать будущих членов Академии – И.М. Франка, В.Л. Гинзбурга, П.А. Черенкова, Е.Л. Фейнберга и др. В ФИАН трудами Вавилова была создана выдающаяся школа исследователей в области физической оптики и в частности люминесценции. В числе его учеников были В.В. Антонов-Романовский, В.Л. Левшин, М.А. Аленцев, М.А. Константинова-Шлезингер, А.А. Черепнев и др.
Одним из важнейших результатов работ Вавилова, его научного предвидения и глубокого понимания физических процессов было открытие эффекта Вавилова–Черенкова. За это открытие он и его сотрудники были в 1946 г. удостоены Государственной премии, а в 1958 г., к сожалению, уже без умершего Вавилова, трое наших ученых – Черенков, Франк и Тамм – получили Нобелевскую премию. В своей Нобелевской лекции И.Е. Тамм сказал: «…Мы в СССР употребляем наименование “Вавилова–Черенкова излучение” вместо “Черенковское излучение” с целью подчеркнуть определяющую роль покойного профессора С. Вавилова в открытии этого излучения».
П.А. Черенков в своей книге «Сергей Иванович Вавилов» отмечал, что «это открытие могло осуществиться только в такой научной школе, как школа С.И. Вавилова, где были изучены и определены основные признаки люминесценции и где были разработаны строгие критерии различения люминесценции от других видов излучения. Не случайно поэтому, что даже в такой крупнейшей школе физиков, как парижская, прошли мимо этого явления, приняв его за обычную люминесценцию».
