В годы Гражданской войны сражался в рядах Красной армии. В боях с махновцами проявил себя смелым и инициативным бойцом.
В 1922 году, на поле Полтавской битвы, Михаил Васильевич Фрунзе вручил ему удостоверение красного командира. После войны Н.Ф. Ватутин прошёл все ступени служебной лестницы, от командира взвода до начальника отдела штаба Сибирского военного округа.
Как имеющего многолетний опыт строевой и штабной работы, получившего академическое образование, в 1938 году Ватутина назначили начальником штаба Киевского особого военного округа. В 1939 году он разрабатывал операции по освобождению Западной Украины. В 1940 году Н.Ф. Ватутин назначен заместителем начальника Генерального штаба. В это время начальником Генерального штаба являлся Г.К. Жуков, который позже говорил: «Ватутин был прекрасный штабист. Он обладал завидной способностью коротко и ясно излагать свои мысли… Большинство важных приказов, донесений Верховному Главнокомандующему он писал лично».
Ватутин всегда очень ответственно подходил к выполнению любого порученного ему дела. Как вспоминал генерал армии С.М. Штеменко, к личному мнению Ватутина всегда прислушивались в Генштабе, оно оказывало большое влияние на формирование замыслов ведения боевых действий. Николай Федорович ночами просиживал над картами, продумывая и разрабатывая различные варианты войсковых операций. Но, несмотря на любовь к штабной работе, молодой генерал просил направить его в действующую армию. Просьбу удовлетворили, и 14 июля 1943 года Ватутина назначили командующим Воронежским фронтом.
Три месяца спустя Н.Ф. Ватутин возглавил Юго-Западный фронт. Под его руководством войска этого фронта, во взаимодействии с войсками Сталинградского и Донского фронтов, взяли в окружение ударную группировку врага на Волге, затем наголову разбили 8-ю итальянскую армию и вышли на подступы к Харькову. В марте 1943 года Ватутина вновь назначили командующим Воронежским фронтом. В период сражения на Курской дуге его войска отбили наступление ударных сил врага, а в ходе контрнаступления успешно прорвали его оборону.
Дальше были тяжелейшие бои на Курской дуге, освобождение Белгорода, Харькова, форсирование Днепра. 6 ноября 1943 года войска фронта под командованием Ватутина освободили Киев.
Орден Красного Знамени Н.Ф. Ватутин получил в ноябре 1941 года. В наградном листе написано: «Товарищ Ватутин, являясь начальником Штаба Северо-Западного фронта с начала войны с германским фашизмом проявил себя исключительно добросовестным, трудолюбивым, энергичным командиром. Умело сколотил работников Штаба и тем самым обеспечил руководство войсками фронта. Помимо своей основной деятельности товарищ Ватутин неоднократно выполнял боевые задания Военного Совета фронта, не редко в самые ответственные моменты боевых операций (в период прорыва противника на том или ином участке фронта), возглавлял части организуя отпор».
