В мае — июле 1942 г. Ватутин — заместитель начальника Генштаба и представитель Ставки ВГК на Брянском фронте. В июле — октябре 1942 г. командует Воронежским фронтом, который под его руководством успешно обороняется против немецко-фашистских войск на воронежском направлении.

Во время Сталинградской битвы Ватутину доверяют командование Юго-Западным фронтом, который готовится к мощному контрнаступлению против вражеской группировки, вышедшей к Волге. Его войска во взаимодействии с войсками Сталинградского и Донского фронтов окружают 330-тысячную группировку противника под Сталинградом, а в декабре 1942 г. во взаимодействии с левым крылом Воронежского фронта проводят Среднедонскую операцию, наносят решительное поражение группировке противника на Среднем Дону, окончательно сорвав план противника деблокировать окруженные под Сталинградом войска. В марте 1943 г. Н.Ф. Ватутин вновь назначен командующим Воронежским фронтом. Летом 1943 г. в период оборонительного сражения на Курской дуге, части и соединения фронта отражают мощные удары противника, а в ходе контрнаступления успешно решают задачу прорыва глубоко эшелонированной обороны немецкой группы армий «Юг». Солдаты о своем генерале говорили: «Там, где Ватутин, там — победа».