Один из учеников Рождественского профессор Владимир Константинович Прокофьев рассказывал автору книги, что после прихода Вавилова в ГОИ там сложилась своеобразная ситуация. С одной стороны, став научным руководителем института, Сергей Иванович оказался начальником Рождественского, с другой — лаборатория люминесцентного анализа входила в научный сектор, во главе которого стоял Рождественский. Однако субординация не осложнила отношений ученых, полных взаимного доверия и уважения. Оба тщательно следили за тем, чтобы не нарушить автономии друг друга.
Встав во главе ГОИ, Сергей Иванович сумел соединить в единый научный организм большие научно-производственные лаборатории, занимавшиеся разнообразными оптическими проблемами. Помогли огромная эрудиция, умение правильно оценивать перспективы развития науки в целом и по отдельным направлениям.
Б. С. Непорент вспоминал, что в 1937 году директором ГОИ был назначен Дмитрий Павлович Чехмотаев. Это был энергичный, волевой и преданный делу человек. Однако он пришел в институт с производства, был далек от науки. Поначалу он стремился превратить ГОИ в чисто прикладной институт и на этой почве вступил в конфликт с рядом ведущих ученых института. Сергей Иванович многое сделал, чтобы сгладить разногласия, сохранить правильное соотношение между фундаментальными и прикладными исследованиями.
Академик А. А. Лебедев писал, что Сергею Ивановичу нелегко было отстаивать научную тематику института, в то время как к нему то и дело обращались с требованиями оказать срочную помощь в решении производственных задач. Нужно было объяснять важность научных работ для дальнейшего развития самой науки и производства, обладая при этом большим тактом и твердостью и видя ясную перспективу развития института.
Характерным примером того, как настойчиво и в то же время терпеливо добивался Вавилов проведения в ГОИ работ, которые он считал перспективными, может служить его отношение к созданию электронных микроскопов. Он смог правильно оценить значение нового направления в микроскопии еще тогда, когда результаты, получавшиеся с помощью новорожденных несовершенных приборов, были значительно ниже получаемых с помощью привычных оптических микроскопов, сумел отстоять необходимость продолжать работу, которая, как считали многие, не сулила ничего хорошего.
Сергей Иванович сам не только развернул в ГОИ исследования по изучению квантовых флуктуаций света, но и энергично способствовал развитию, казалось бы, очень далеких от этого работ. Так, по его инициативе были начаты исследования, в результате которых был разработан новый тип поляризационных светофильтров. Учеником Вавилова Е. М. Брумбергом был предложен оригинальный метод цветовой трансформации. В институте были проведены работы по демаскировке различных объектов на снегу. Начались работы по изучению стратосферы, широко развивались исследования в области светотехники, фотометрии, физиологической оптики и т. д.
Все работы живо интересовали Сергея Ивановича. Он их опекал, стимулировал, следил за ходом их выполнения, давал их участникам ненавязчивые, но всегда полезные советы. Все это сильно способствовало росту его научного авторитета, вызывало чувство симпатии к нему у самых разных людей.
Характерной чертой Вавилова была повседневная забота не только обо всем коллективе, но и о каждом его сотруднике, вне зависимости от его ранга или заслуг. Он живо откликался на все события институтской жизни, часто и охотно выступал перед коллективом. Его выступления были настолько глубоки и содержательны, что после него говорить, в общем, по делу было ни к чему, так как все главное уже было сказано.
Сергей Иванович был беспартийным, однако, всегда и во всем твердо и последовательно проводил партийную линию. Б. С. Непорент говорил, что выступления и поведение Вавилова служили ярким примером того, каким должен быть коммунист. Авторитет Вавилова был настолько высок, что его слово считалось законом. Сотрудники безоговорочно выполняли все его поручения, которые он отдавал чрезвычайно вежливо, облекая их в форму личной просьбы. Он стал душой коллектива.
Летом 1932 года состоялась выездная сессия Академии наук СССР, которая должна была ознакомиться с состоянием и запросами промышленности Сибири и наметить планы помощи Академии наук этому важнейшему индустриальному району страны. Академики разбились на бригады и разъехались по городам Сибири. С. И. Вавилов выехал с бригадой в город Томск. Во время этой поездки бывший в то время вице-президентом Академии наук СССР Владимир Леонтьевич Комаров сделал Сергею Ивановичу от имени президента Александра Петровича Карпинского предложение стать руководителем физического отдела Физико-математического института Академии наук СССР.
В то время это было очень маленькое учреждение. Весь его штат состоял из директора, двух заведующих отделений и четырех сотрудников. За пятнадцать лет Советской власти сотрудниками физического отдела было выполнено всего пятнадцать работ. Впоследствии Вавилов писал: «Одно время (1931—1932 гг.) имелась даже тенденция к преобразованию физического отдела в чисто теоретический центр, связанный в основном с математическим отделом института».
Вспоминая об институте тех лет, Илья Михайлович Франк говорил, что входящих встречал не вахтер, а уютно звенящий колокольчик, приделанный к двери. Звенел он, однако, нечасто. Все основные научные силы были сосредоточены в Государственном оптическом институте, Ленинградском физико-техническом институте и Радиевом институте, которые не входили в систему Академии наук. Считая такое положение принципиально неверным, В. Л. Комаров поставил перед С. И. Вавиловым задачу превратить маленький физический отдел в многосторонне развитый Физический институт Академии наук СССР.
Вавилов принял это предложение и энергично взялся за реорганизацию физического отдела Физико-математического института. В то время институт размещался в правом крыле главного здания Академии наук в Ленинграде на Университетской набережной. Вспоминая об этих годах, Сергей Иванович писал: «По существу говоря, под общей вывеской Физико-математического института уже с начала 1933 года существовало два отдельных института — физический и математический. Мы, т. е. академик И. М. Виноградов и я, являлись дуумвирами, объединявшимися только общей хорошей библиотекой».
Основная трудность состояла в недостатке кадров. Б. М. Вул рассказывал, что А. Ф. Иоффе и Д. С. Рождественский в то время не поддерживали идеи создания Физического института в рамках Академии наук. Сотрудники ФИАНа позже даже нарисовали и повесили в институте карикатуру, на которой были изображены в виде сфинксов на скалах в бушующем море А. Ф. Иоффе и Д. С. Рождественский, а между ними утлое суденышко с надписью ФИАН.
Благодаря усилиям Сергея Ивановича физический отдел быстро рос и укреплялся. В середине 1938 года Вавилов писал: «В настоящее время в физическом отделе Физико-математического института работают 26 сотрудников и 7 аспирантов. Число научных сотрудников 17. Оборудование лаборатории еще далеко до нормального, в частности нуждаются в расширении механическая мастерская и стеклодувная».
Вавилов категорически отверг предложения некоторых членов президиума академии о превращении физического отдела в чисто теоретический центр или о сосредоточении в нем работ по изучению явлений люминесценции. Он проявил большую дальновидность, считая, что в отделе должны быть представлены все наиболее перспективные направления современной физики. По его мнению, новый институт со временем должен был превратиться в центр физической мысли страны.
Одной из первых была создана лаборатория атомного ядра и космических лучей. Из-за отсутствия специалистов С. И. Вавилову пришлось самому на первых порах возглавить ее. Руководство не было формальным — Сергей Иванович определял выбор тем, активно обсуждал с коллегами ход исследований. После переезда из Ленинграда в Москву Дмитрия Владимировича Скобельцына Вавилов передал ему заведование лабораторией.
Впоследствии Сергей Иванович писал: «В 1933 г. выяснились главные направления работы реорганизуемого физического института. Эти были: 1) исследования свойств нейтронов (недавно перед тем открытых), 2) свечение жидкостей под действием радиоактивных радиаций, 3) исследование окрашенных кристаллов, 4) серия работ по изучению микроструктуры жидкостей методом броуновского движения, явления Керра, поляризации флуоресценции, дисперсии ультразвука, 5) исследование электрического пробоя в газах, 6) электронографическое и рентгеновское исследования катализаторов».
Особое внимание С. И. Вавилов обратил на работы по изучению строения вещества, и прежде всего по ядерной физике, считая это направление наиболее актуальным. Здесь ярко проявилась его дальновидность, способность вовремя оценить важность нового научного направления. Это особенно удивительно потому, что сам Вавилов никогда не занимался ядерной физикой и не связывал свою судьбу с будущими исследованиями в этой области. В те годы, несмотря на то что уже был открыт позитрон, а затем нейтрон, ядерную физику никто не считал актуальной, а с точки зрения практики, она вообще числилась наиболее бесперспективной. Нужно было иметь большую смелость и глубокую убежденность, чтобы решиться сделать ее одним из основных направлений нового института.
Для практического осуществления работ по ядерной физике Вавилов пригласил нескольких начинающих физиков. Среди них были Леонид Васильевич Грошев, Николай Александрович Добротин и Павел Алексеевич Черенков. По совету Сергея Ивановича ядерной физикой стал заниматься и его ученик И. М. Франк, который по образованию и склонностям был оптиком. Потребовалась большая настойчивость Сергея Ивановича, чтобы Франк согласился на этот переход, о чем потом не пожалел. Ради интересов дела Сергей Иванович сознательно лишался одного из талантливых учеников, направляя его в новую область науки, которой сам не предполагал заниматься.
По инициативе Вавилова в физическом отделе было поставлено несколько исследований в области ядерной физики. Л. В. Грошев и И. М. Франк изучали механизм рождения пар гамма-лучами в камере Вильсона, содержащей тяжелые газы. Н. А. Добротин с помощью камеры Вильсона исследовал угловое распределение протонов при бомбардировке пластинки парафина потоком нейтронов, П. А. Черенков начал изучение свечения растворов ураниловых солей под действием гамма-лучей.