В феврале 1941 года Николая Ватутина назначили на ключевой пост начальника оперативного управления Генштаба, где он вместе с другими военачальниками участвовал в разработке стратегических планов на случай войны с Германией. Как и многие советские командиры, он недооценил сроки возможного нападения, считая, что вермахт не рискнет начать войну в ближайшее время.
С первых дней Великой Отечественной войны Ватутин проявил себя как блестящий стратег. В июне-июле 1941 года он разрабатывал планы контрударов под Сольцами и Eльней — первых успешных операций Красной армии, ненадолго затормозивших немецкое наступление. В августе-сентябре, будучи начальником штаба Северо-Западного фронта, а затем и его командующим, он сыграл ключевую роль в срыве планов вермахта по полному окружению Ленинграда, организовав успешную оборону Тихвина.
В июле 1942 года Ватутин назначен командующим Воронежским фронтом, разработал и провел Острогожско-Россошанскую и Воронежско-Касторненскую операции, создав предпосылки для будущей победы под Сталинградом. Но главным его вкладом считается участие в разработке операции «Уран», завершившейся окружением и разгромом 6-й армии Паулюса.
В 1943 году войска Воронежского фронта на южном фасе Курской дуги не только выстояли под ударами элитных танковых соединений вермахта, но и нанесли сокрушительное поражение 4-й танковой армии Гота в легендарном сражении под Прохоровкой. Осенью того же года, командуя 1-м Украинским фронтом, он блестяще организовал форсирование Днепра, освобождение Киева и последующую Житомирско-Бердичевскую операцию.
Последней крупной победой генерала армии Ватутина стала Корсунь-Шевченковская операция, где было окружено и уничтожено десять немецких дивизий.
29 февраля 1944 года, возвращаясь из штаба 13-й армии, кортеж Ватутина попал в засаду украинских националистов (УПА) около села Милятин Ровенской области. Генерал получил тяжелое ранение в бедро с повреждением бедренной артерии. Несмотря на усилия врачей, состояние Ватутина начало ухудшаться, развилась газовая гангрена. 15 апреля 1944 года Николай Федорович Ватутин скончался в киевском госпитале.
Современники описывали его, как человека исключительной работоспособности (спал по три-четыре часа в сутки), но скромного в быту. Как педантичного и требовательного командира. Как прекрасного аналитика и стратега.
Награжден орденом Ленина— за образцовое выполнение боевых заданий и умелое руководство войсками в первые месяцы войны, и орденом Красного Знамени — за оборону Ленинграда, орден Суворова I степени -за успешное проведение Острогожско-Россошанской операции, орден Кутузова I степени -за блестящее командование в Курской битве, орден Богдана Хмельницкого I степени, посмертно — за Корсунь-Шевченковскую операцию.
Ватутин был представлен к званию Героя Советского Союза, но награждение не состоялось из-за бюрократических проволочек. Все его ордена были боевыми — ни одной юбилейной или «парадной» награды. После гибели его семья получила особую пенсию, назначенную личным распоряжением Сталина. Ватутин стал одним единственным полководцем, получившим все три высших полководческих ордена СССР военного времени. Eго награды — это хроника важнейших сражений Великой Отечественной войны.