Анализ огромного количества культурных растений и их дикорастущих предков позволил Н. И. Вавилову сформулировать закон, устанавливающий параллелизм в наследственной изменчивости организмов и имеющий большое значение как для теоретической генетики, так и для практической селекции. Это обобщение, получившее название закона гомологических рядов наследственной изменчивости, выглядит так: «Генетически близкие роды и виды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других родственных видов и родов».
Н. И. Вавилов исследовал изменчивость признаков у растений из семейства злаковых. Из 38 признаков, которые характерны для различных видов этого семейства (окраска колосковых чешуи и зерна, остистость и безостость, форма зерна, строение листьев, окраска всходов, озимость и яровость, холодостойкость и т. д.), у ржи Н. И. Вавилов обнаружил 37 признаков, у пшеницы — 37, у овса и ячменя — по 35, у кукурузы и риса — по 32 и т. д.
Этот закон позволяет предсказать существование диких растений с признаками, ценными для селекционной работы. Например, до недавнего времени были известны лишь многосеменные сорта сахарной свеклы, у которых 3—5 семян срастаются в одно соплодие — клубочек. При прорастании таких соплодий лишние проростки приходилось удалять вручную. Однако у дикорастущих видов свеклы были обнаружены растения с односемянными плодами. Тогда, согласно закону Н. И. Вавилова, стали искать мутантные плоды с одним семенем у культурных видов свеклы. В результате обследования огромного числа растений удалось найти отдельные односемянные растения. На их основе были получены нынешние сорта сахарной свеклы с одним семенем.
Исходно закон касался изменчивости у растений, однако Н. И. Вавилов указывал на применимость его и к животным.