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  1891年生於莫斯科一商人家庭。1909年開始在莫斯科帝國大學物理與數學系學習,1914年畢業。同年抵抗教育大臣的政策,未留校任教。7月自願參軍,奔赴第一次世界大戰戰場。十月革命後,在技術學院任教。1926年被派往德國柏林大學物理研究所,從事科研工作。  1929年,開始擔任莫斯科國立大學物理學教授。1932年3月當選蘇聯科學院院士。同年起任蘇聯科學院物理研究所所長,兼任國家光學研究所所長。1941年蘇德戰爭爆發後,被疏散至喀山,致力於國防光學工具的研究與生產。  1945年7月當選蘇聯科學院院長。1946年當選蘇聯最高蘇維埃代表。1947年7月在莫斯科全蘇政治與科學知識普及協會成立大會上,當選為首任主席。1949年10月4日,在北京研究院物理研究所舉行的“中國物理學會”第83次會議上被推舉為該會名譽會員。  1949年開始擔任《蘇聯大百科全書》第三版主編。1951年1月25日在莫斯科去世。安葬於新聖女公墓。1952年3月,他的兩部著作《光的顯微結構》和《眼睛和太陽》被追贈斯大林獎金一等獎。

  瓦維洛夫和他的學派首創地研究了微光現象,確定了它的基本規律。他還與學生髮現了瓦維洛夫—契連科夫效應,該理論揭示了在一定介質中以超光速運動的電子輻射的實質,為超光速光學奠定了基礎。

  他的兄長尼古拉·伊萬諾維奇·瓦維洛夫是著名的生物學和遺傳學家。為了紀念兩人的功績,小行星2862以“瓦維洛夫”命名。月球背面的“瓦維洛夫環形山”也是如此。
謝爾蓋·伊萬諾維奇·瓦維洛夫(,1891年-3月34日-1951年-1月25日),蘇聯物理學家。蘇聯科學院院長,蘇聯最高蘇維埃代表,全蘇政治與科學知識普及協會主席。