Vatutin se narodil v Čepochinu ve Voroněžské Gubernii. Syn z rolnické rodiny se v roce 1920 stal příslušníkem Rudé armády a bojoval proti ukrajinským rolnickým protibolševickým partyzánům. Rok na to byl přijat do bolševické strany, mimořádně brzy na sovětského důstojníka a začala jeho docela rychlá vojenská kariéra. Vatutin sice neměl žádné bojové zkušenosti, zato na něho bylo jako na věrného bolševika spolehnutí, že ho nenapadne kritizovat Stalina. Zároveň byl mimořádně nadaný a dalo se předpokládat, že v případě nutnosti získá i bojové zkušenosti.

V roce 1939 naplánoval Vatutin operace invaze do Polska, které si Stalin rozdělil s Hitlerem a sloužil při něm jako náčelník štábu Jižní skupiny Rudé armády. V následujícím roce se tato skupina pod Žukovovým velením zmocnila Besarábie, která dosud byla součástí Rumunska. Za účast na těchto podnicích se Vatutin stal generálplukovníkem a náčelníkem operačního oddělení generálního štábu. Přestože se v této funkci projevily jeho nedostatky, zůstal mezi mladými Stalinovými oblíbenci, a tudíž se spolupodílel na trestuhodně liknavé přípravě Rudé armády na německé napadení.

Když k válce došlo, byl 30. června 1941 jmenován náčelníkem štábu Severozápadního frontu, kde předvedl lepší stránky své povahy. Především nebyl vůbec ješitný a snažil se objevit a podporovat nadání jiných. Byl také mimořádně odvážný, což v této fázi války, mělo velký význam nejen z hlediska obecných zájmů, ale i osobní perspektivy. Vatutinovy se u Novgorodu podařilo sešikovat útvary Rudé armády a zabrzdit tankové sbory von Mansteina. Němcům se nepodařilo do začátku zimy roku 1941 dobýt Leningrad. Vatutin zde získával ony dosud chybějící bojové zkušenosti za cenu obrovských ztrát a to až 60%. Jeho nepříliš brilantní výkony byly prohlubovány neschopností jeho podřízených.

V lednu roku 1942, v době sovětské zimní ofenzívy pod Moskvou, dosáhl Vatutin úspěchu, když se mu podařilo obklíčit dva německé sbory u Děmjanska, kde uplatnil některé nové taktické prvky. Byl to první případ, kdy se Sovětům podařilo obklíčit velké množství nepřátelských sil. Zejména slabost sovětského armádního letectva však nedovolila Vatutinovi prorazit německou obranu. Toto střetnutí je dnes hodnoceno jako nerozhodné. Němci však z této zkušenosti vyvodili nesprávný závěr, že mohou překonat sovětské obklíčení díky letecké podpoře, jež umožní obklíčeným vojskům vydržet do příchodu posil. Tento způsob úvahy přispěl ke katastrofě Wehrmachtu u Stalingradu.

Dne 22. října 1942 byl Vatutin přeložen jako velitel k nově vytvořenému Jihozápadnímu frontu a zúčastnil se plánování nastávající stalingradské protiofenzívy a obklíčení německé 6. armády. V prosinci 1942 obklíčil a zničil dvě třetiny italské VIII. armády o 130 000 mužích při operaci Malý Saturn a přispěl tím k porážce Mansteinovy operace Wintergewitter. Po Stalingradu vedla Vatutinova válečná cesta k bitvám na východní Ukrajinu, u Charkova a Kurska a přestože byl tentokrát u Charkova poražen, byl povýšen na generála armády. Po vítězství u Kurska dobyl Bělgorod. V dalším vývoji války pokračoval neúnavně v  dobývání Ukrajiny. Dne 6. listopadu 1943 dobyl její hlavní město Kyjev a znovu se utkal s von Mansteinem v bitvách u Radomyšlu a při žitomirské a rovenské operaci v prosinci 1943 a lednu 1944.

Dne 29. února 1944 byl generál armády Nikolaj Fjodorovič Vatutin postřelen ze zálohy vojáky Ukrajinské povstalecké armády a zemřel na sepsi 15. dubna 1944. Jeho poslední naplánovanou operací, která skončila definitivním vyčištěním Ukrajiny od německých okupantů, dokončil maršál Žukov. Vatutin byl nesporně jedním z nejnadanějších sovětských generálů a jeho schopnosti i povahu uznávali jak jeho podřízení, tak němečtí protivníci. Určitě byl jedním ze zaručených kandidátů na hodnost maršála Sovětského svazu.

.