В июле 1945 г. в связи с болезнью Президента АН СССР В.Л. Комарова на этот пост был избран Вавилов. Перед ним встали новые огромные проблемы, связанные с необходимостью ускоренного развития науки в стране. В одном из своих выступлений в начале своей деятельности по руководству Академией наук он сформулировал «ряд условий, совершенно необходимых для правильного и быстрого роста науки…» К этим условиям он относил:
«1. Кадры, т.е. большое число хорошо обученных людей, умеющих вести научную работу, владеющих техникой специальных областей;
2. большие удобные институты и лаборатории, иногда с весьма специализированными помещениями;
3. разнообразное научное оборудование.., хорошие специальные библиотеки, в которых представлена мировая научная литература по данной области знания;
4. вспомогательные мастерские…;
5. широкое и своевременное внедрение научных работ технического значения и возможность быстро публиковать научные результаты, не составляющие секрета;
6. правильная система научно-исследовательских учреждений;
7. бытовая обеспеченность ученого, возможность для него сосредоточить свою энергию и знания на решении научных задач».
Несмотря на труднейшую обстановку послевоенной разрухи, Вавилову удалось последовательно осуществить выполнение намеченных задач, организовать восстановление и строительство многих новых научных институтов, обсерваторий и горных станций по изучению космических лучей, крупных установок, в числе которых синхроциклотрон ФИАН, первый ядерный реактор и многие другие. Обладая выдающимися способностями организатора науки, Вавилов создал систему связей региональных научных центров и республиканских Академий наук и возглавил Совет по координации научной деятельности академий союзных республик. Он способствовал развитию исследований в наиболее важных в то время новых научно-технических направлениях, связанных с использованием в народном хозяйстве ядерной энергии и развитием ракетной техники. При Президиуме Академии был создан специальный Ученый совет по распространению методов ядерной физики в различных сферах науки и техники, который возглавил Вавилов.
Еще с 1933 г. он возглавлял комиссию по изучению стратосферы, а уже в послевоенные годы диапазон исследований расширился, были поставлены работы по изучению верхних слоев атмосферы, а затем космического пространства. При участии Вавилова при Президиуме АН была создана комиссия по космосу, в которую входили академики С.П. Королев, М.В. Келдыш и др., а под его председательством проводились специальные совещания, обеспечивавшие координацию усилий различных академических организаций, привлекавшихся к этим исследованиям.
