В ФИАНе были созданы люминесцентные методы разведки полезных ископаемых, развернуты работы по экспрессному спектральному анализу черных и цветных металлов и выпуску спектральных приборов-стилоскопов. Был сделан и внедрен новый прибор — толщинометр, действующий с помощью гамма-лучей; созданы малогабаритные рамочные радиоантенны с пермалоевыми сердечниками, разработаны акустические тралы и т. д.
Вспоминая о трудных военных годах ФИАНа, Вавилов писал: «Без всякого принуждения лаборатории изменили темы своих работ так, что они помогали Красной Армии, военной промышленности, госпиталям. Итог был совсем реальный и бесспорный. Институт помог... пустить производство светящихся составов постоянного действия. В институте научились готовить керамические массы для изоляции радиоконденсаторов и передали это дело на производство, выпускающее теперь их десятками тысяч в месяц; для... заводов лаборатории атомного ядра дали новые дефектоскопические приборы; госпитали получили от ФИАНа новый рентгеновский стереоприбор; акустики института работали на фронте, выполняя важные военные задания; теоретики своими расчетами помогали бороться с магнитными и акустическими минами, а специалисты по люминесценции нашли новые эффективные способы применения люминесценции для военных задач, соединяя физическую новизну с военной важностью. Спектральный анализ из института в виде методов, переданных работникам заводских лабораторий, и новых приборов быстро распространился по заводам. Специалисты по колебаниям дали морякам и авиации новые методы. Библиотека Физического института была единственной академической библиотекой, почти полностью эвакуированной и открытой для пользования всем академическим учреждениям. Она принесла трудно оценимую пользу академии в Казани».
Один из ближайших учеников и сотрудников Сергея Ивановича Антон Никифорович Севченко рассказывал автору книги, что Сергея Ивановича никогда не оставляла мысль о судьбе старшего брата Николая Ивановича, арестованного перед самой войной. В 1943 году он узнал о его смерти. Под влиянием этого трагического известия Сергей Иванович написал письмо Сталину, где выразил глубокую убежденность в полной невиновности брата. Это письмо он давал читать Севченко. Через десять дней Вавилову сообщили о необходимости немедленного вылета в Москву. Проводить его на аэродром поехали А. Н. Севченко и Б. Я. Свешников. Настроение у всех было подавленным.
Через пять дней Вавилов вернулся. Он рассказал, что был принят Сталиным, который уверил его в том, что ничего не знал о судьбе его брата, что разберется в этом деле, выразил полное доверие Сергею Ивановичу. Вавилов тут же был назначен уполномоченным Государственного Комитета Обороны. Был создан специальный орган по координации научных работ, с помощью которого устанавливались тесные связи с военными организациями.
Жизнь Сергея Ивановича сильно усложнилась. Теперь приходилось периодически ездить не только из Йошкар-Олы в Казань и обратно, но и совершать частые двухсуточные переезды в Москву. В военные годы эти поездки были связаны с большими трудностями, к тому же здоровье Сергея Ивановича ухудшилось. Нелегко было выдерживать такой ритм жизни, но Сергей Иванович был собран, подтянут и никогда не сетовал на судьбу.
Академик А. А. Лебедев писал: «Особенно глубокое впечатление производила на нас та непреклонность, с которой он в период Отечественной войны совершал частые поездки по железной дороге из Казани, где находился Физический институт, в Йошкар-Олу, где был Оптический. Его ничто не могло остановить: ни переполненные вагоны, в которых нередко всю ночь приходилось стоять, ни томительные ожидания поезда, редко ходившего по расписанию и часами простаивающего на станциях или даже между ними, набирая пары. Удивительно было видеть в этом хрупком на вид человеке такую волю, роднившую его с нашими воинами-героями, которые насмерть стояли перед лицом врага, защищая свою Родину. Мне вспоминаются совместные с Сергеем Ивановичем поездки в Москву, связанные с выполнением заданий Государственного Комитета Обороны. Тяжело давались эти поездки. Трудно было в то время передвигаться по Москве, и нередко Сергей Иванович возвращался домой совершенно изможденным: как он сам говорил, он чувствовал себя в такие минуты, как покойник. Но никогда не жаловался и самоотверженно продолжал нести свои обязанности. Меня всегда поражало в нем сочетание удивительной доброжелательности и внимательности к нуждам окружающих его людей и суровой беспощадности к себе: он не щадил себя, когда ему надо было выполнить то, что он считал своим долгом; в важных вопросах он никогда не отступал от того пути, который считал правильным».
Другой сотрудник ГОИ профессор Б. С. Непорент рассказывал автору этих строк, что стосорокакилометровый путь от Йошкар-Олы до Казани поезд, ехавший на дровах, преодолевал за двенадцать часов. Вагоны были до предела забиты людьми, духота стояла невообразимая. Сергей Иванович задыхался, поэтому весь путь стоял, стиснутый со всех сторон, в холодном тамбуре. Во время одной из таких поездок он сильно простудился и заболел тяжелым воспалением легких. Лишь в конце войны ГОИ получил в поезде специальное купе, что сильно облегчило поездки Сергея Ивановича.
В Казани С. И. Вавилову была выделена небольшая комната, где он, когда приезжал в ФИАН, жил вместе с А. А. Лебедевым. А приезжать приходилось иногда по два раза в неделю. Сотрудница Сергея Ивановича Зинаида Лазаревна Моргенштерн вспоминала, что встречи с Вавиловым работников института не носили характера производственных совещаний или отчетов. Это были дружеские беседы, после которых хотелось побольше сделать, появлялась уверенность в том, что твоя работа очень нужна.
Вавилов обладал чудесной способностью вдохновлять людей. Моргенштерн поражало, какими простыми и близкими были отношения Сергея Ивановича с коллегами. Как-то, когда вся лаборатория люминесценции договорилась вечером пойти в кино, одна из сотрудниц зашла к Сергею Ивановичу, взяла его под руку и пригласила составить компанию. Вавилов принял приглашение с удовольствием. Это никого не удивило — директор института воспринимался таким же членом коллектива, как и все.
В 1943 году в Йошкар-Оле произошел нелепый случай, чуть ни стоивший Сергею Ивановичу жизни. С фронта на побывку приехал его сын Виктор. Вечером отец и сын сидели за столом в комнате и разговаривали. Окно было освещено. Вдруг раздался выстрел, и между головами Вавиловых пролетела пуля.
Виновники тут же были найдены. Ими оказались двое мальчишек, которые сумели достать где-то патроны от винтовки, сделали самодельный пистолет и, желая его опробовать, не нашли ничего лучшего, как выстрелить по освещенному окну. Несмотря на то что оба нарушителя были далеки от совершеннолетия, по суровым законам военного времени им грозило тяжелое наказание. Сергей Иванович потратил много сил, чтобы выручить нахулиганивших ребят.
Наша семья, состоявшая из четырех человек, вместе с ФИАНом была эвакуирована в Казань, где разместилась в двенадцатиметровой комнате в старом двухэтажном доме, лишенном элементарных удобств. Комната служила нам одновременно спальней, столовой, кухней и дровяным сараем.
К нам неоднократно приходил Сергей Иванович. К его приходу мы всегда готовились, стремясь навести порядок, однако этого было практически невозможно сделать. Вавилов вел себя настолько просто и непринужденно, что смущение быстро прошло, все забыли об убогости обстановки.
Особенно запомнилась последняя встреча с Сергеем Ивановичем в нашем временном пристанище в 1943 году. Войдя в дверь, он, казалось, заполнил комнату. В тот раз он был одет в светлый костюм, сохранившийся с довоенных времен, и казался очень нарядным. В то время началась битва на Курской дуге. Я не все понимал из того, о чем говорил Вавилов с отцом, — тогда я был еще учеником седьмого класса. Вспоминаются твердые и убежденные слова Сергея Ивановича, что Красная Армия скоро разобьет немцев и что пора ставить вопрос о возвращении ФИАНа в Москву, по которой мы все так истосковались.
Осенью Сергей Иванович добился решения о переводе ФИАНа в столицу. В мае 1945 года возвратился в Ленинград и ГОИ. Оба коллектива и их руководитель с честью выдержали суровый военный экзамен.
Вернувшись из эвакуации, фиановцы застали свое здание в крайне запущенном состоянии. Во всех помещениях с пола был содран линолеум. Достать новый в те годы было очень трудно. Приближалось празднование двухсотдвадцатилетия Академии наук СССР, которое решено было широко отметить. ФИАН должны были посещать иностранные гости. Показывать им здание института в таком виде было невозможно. Сергей Иванович грустно шутил, что перед ФИАНом во весь рост встала «половая проблема». Хлопоты Сергея Ивановича увенчались успехом — ФИАНУ выделили паркет.
После возвращения в Москву Вавилов сразу же постарался восстановить связи ФИАНа с физическим факультетом МГУ. Несмотря на загруженность, сам он согласился работать на кафедре оптики университета в должности профессора без оплаты. Он руководил несколькими университетскими дипломниками, сделал в МГУ ряд докладов по теории излучения.
Подводя итог военным годам, Сергей Иванович писал: «Академическая научная громада — от академика до лаборанта и механика — направила без промедления все свои усилия, свои знания и умение на прямую или косвенную помощь фронту. Физики-теоретики от вопросов о внутриядерных силах и квантовой электродинамики перешли к вопросам баллистики, военной акустики, радио и т. д. Экспериментаторы, отложив на время острейшие вопросы космической радиации, спектроскопии и пр., занялись дефектоскопией, заводским спектральным анализом, магнитными и акустическими минами, радиолокацией. Специальные военные исследовательские институты, заводские лаборатории, цехи и непосредственно фронт явно почувствовали живое и полезное влияние научной мысли, сосредоточенной в академии. Во многих случаях физики работали непосредственно на фронте, испытывая свои предложения на деле; немало физиков пало на поле брани, защищая Родину».