Родился в семье крестьянина-середняка. Окончил сельскую школу и двухклассное земское училище в г. Валуйки с отличием, получил право на стипендию в коммерческом училище. Но когда с четвёртого класса деньги перестали выплачивать, Ватутину пришлось вернуться в село, где он работал в волостном правлении.В 1920 начал службу рядовым в Красной Армии, участвовал в боях против Н. И. Махно в районах Луганска и Старобельска, затем был направлен в Полтавскую пехотную школу, которую окончил с отличием в 1922 и где вступил в РКП(б).В межвоенный период занимал должности: командир отделения (с декабря 1922), командир взвода (с августа 1923), помощник командира роты (с октября 1924), командир роты (ноября 1925) 67 стрелкового полка; помощник начальника оперативной части (с июня 1929), помощник начальника 1 части (с октября 1929) 7 стрелковой дивизии; помощник начальника 1 отдела штаба Северо-Кавказского военного округа (с мая 1930); начальник штаба 28 Горской стрелковой дивизии (с ноября 1931); начальник 1 отдела штаба Сибирского военного округа (с февраля 1936); заместитель начальника штаба Киевского военного округа (с июля 1937); начальник штаба Украинского фронта во время Польского похода РККА (сентябрь 1939); начальник Оперативного управления Генерального штаба Красной Армии (с июля 1940); 1-й заместитель начальника Генерального штаба Красной Армии по оперативным и устройству тыла вопросам (с февраля 1941).С 30 июня 1941 Ватутин — начальник штаба Северо-Западного фронта, принимал активное участие в обороне Новгорода, возглавив действовавшую здесь оперативную группу войск. Под его руководством осуществлялись контрудары против немецкого корпуса генерала Манштейна, в результате которых немцы понесли тяжёлые потери на подступах к Ленинграду. В мае — июле 1942 Ватутин — зам. начальника Генштаба, провёл большую работу в качестве представителя Ставки ВГК на Брянском фронте.14 июля 1942 года назначен командующим войсками Воронежского фронта.Во время Сталинградской битвы командовал войсками Юго-Западного фронта. Под командованием Ватутина войска Юго-Западного фронта во взаимодействии с левым крылом Воронежского фронта в декабре 1942 провели операцию «Малый Сатурн» и нанесли поражение группировке противника на Среднем Дону. Эта операция стала примером организации сильного флангового удара в сочетании с рядом фронтальных.В марте 1943 Ватутин вновь возглавил Воронежский фронт. В июле 1943 года в период сражения на Курской дуге войска фронта отразили мощные удары немцев. Однако действия Ватутина в оборонительном этапе Курской битвы очень часто подвергаются критике (например, В. Замулин «Курский излом» и «Засекреченная Курская битва», ряд других авторов) за отсутствие гибкой обороны, большие потери войск, серию непродуманных наспех проведённых контрударов, приведших только к большим потерям. В ходе последующей Белгородско-Харьковской операции войска фронта успешно решили задачу прорыва глубоко эшелонированной обороны.Под руководством Ватутина войска Воронежского (с октября 1-го Украинского) фронта участвовали в битве за Днепр, освобождении Киева (6 ноября 1943), а также в последующих операциях по изгнанию врага с Правобережной Украины.Во взаимодействии со 2-м Украинским фронтом войска 1-го Украинского фронта в январе—феврале 1944 окружили крупную группировку противника в районе Корсунь-Шевченковского.За свои способности продумывания военных операций до мельчайших деталей Ватутин получил у ряда немецких командиров, относившихся к его полководческому дару с большим уважением, прозвища «шахматист» и «гроссмейстер».Умер от ран, полученных в стычке с отрядом УПА 29 февраля 1944 года во время выезда в войска. Случилось это в с. Милятын Острожского района. Согласно одним свидетельствам, генерал и около десяти человек охраны попали в засаду. Согласно воспоминаниям некоторых членов УПА, это была случайная перестрелка, а не преднамеренная операция. В ходе этой перестрелки Ватутин был ранен в левое бедро и через полтора месяца умер от заражения крови. Для матери Ватутина Веры Фёдоровны это была потеря уже третьего сына в этой войне. Похоронен в Киеве.Звание Героя Советского Союза присвоено 6 мая 1965 года (посмертно).
