С 1920 года участвовал в Гражданской войне.
После войны командовал взводом, ротой, служил в штабе 7-й стрелковой дивизии.
Окончил Полтавскую пехотную школу (1922), Киевскую высшую объединённую военную школу (1924), Военную академию имени М.В. Фрунзе (1929), оперативный факультет этой же академии (1934) и Военную академию Генштаба (1937).
В 1931–1941 гг. — начальник штаба дивизии, начальник I-го отдела штаба СибВО, зам.начальника и начальник штаба НОВО, начальник Оперативного управления и I-й заместитель начальника Генштаба.
С 30 июня 1941 года — начальник штаба Северо-Западного фронта.
В мае – июле 1942 года — заместитель начальника Генштаба и представитель Ставки ВГК на Брянском фронте.
В июле – октябре 1942 года командовал Воронежским фронтом. Во время Сталинградской битвы командовал Юго-Западным фронтом.
В 1943 году вновь назначен командующим Воронежским фронтом.
Под его руководством войска Воронежского (с октября 1943 года — III Украинского) фронта участвовали в битве за Днепр, освобождении Киева (в ноябре 1943 года), а также в последующих операциях по изгнанию врага с Правобережной Украины.
Награждён орденами Ленина, Красного Знамени, Суворова I степени, Кутузова I степени, а также иностранным орденом.
29 февраля 1944 года во время выезда в войска генерал и группа сопровождения столкнулись у с. Милятын Острожского района с отрядом Украинской повстанческой армии. Согласно советским свидетельствам, это была засада. В ходе перестрелки Ватутин получил тяжёлое ранение в левое бедро.
Через полтора месяца, 15 апреля 1944 года генерал умер от заражения крови в киевском госпитале на улице Артема, 27 (ныне — СШ № 138).
Гроб с телом для прощания был установлен в филармонии.
Похоронен 17 апреля 1944 года в Киеве в Мариинском (Советском) парке.
25 января 1948 года в Киеве на могиле генерала армии Н.Ф. Ватутина в Мариинском парке был открыт памятник (скульптор Е.В. Вучетич, архитектор
Я. Б.Белопольский).
Памятник генералу армии Н. Ф. Ватутину, Киев
В 1955—1982 гг. имя генерала носила улица, а в 1975 году в Киеве был назван проспект.
В 1977 году на фасаде здания штаба Киевского военного округа (ныне МО Украины была открыта мемориальная доска в честь Н.Ф. Ватутина (скульптор А.П. Скобликов, архитектор А.Ф. Игнащенко).
Сайт «Герои страны»Похороны генерала ВатутинаМ. Кальницкий, Г. Лапицкий «Киевский адрес генерала Ватутина»Интервью с дочерью генерала Ватутина