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Estudió en la escuela de gramática de Elizavetgrad (hoy Kirovohrad, Ucrania) y luego en la Universidad de Edimburgo, de 1913 a 1914, junto a su amigo Borís Hessen. Más tarde se trasladó a la Universidad de Moscú, donde se graduó en 1918.
Su actividad profesoral la comenzó en 1919 en la Universidad de Crimea en Simferópol y más tarde en la Universidad Politécnica de Odesa. En 1928 pasó varios meses con el físico austríaco Paul Ehrenfest en la Universidad de Leiden.
En 1958 recibió el Premio Nobel de Física junto con los físicos soviéticos Pável Cherenkov e Iliá Frank por el descubrimiento y la interpretación del efecto Cherenkov-Vavílov, el cual es una radiación de tipo electromagnético producida por el paso de partículas cargadas eléctricamente en un determinado medio a velocidades superiores a las de la luz en ese medio.