Những kinh nghiệm đầu tiên

Ngày 30 tháng 6 năm 1941, Vatutin rời Bộ Tổng tham mưu để đảm nhận vị trí Tham mưu trưởng Phương diện quân Tây Bắc và lập tức thể hiện năng lực của mình. Ông luôn tỏ ra là một vị chỉ huy lạc quan, tôn trọng cấp dưới, khiêm tốn và đặc biệt dũng cảm. Phương diện quân của Vatutin có nhiệm vụ bảo vệ Leningrad khỏi cuộc tấn công của Cụm tập đoàn quân Bắc Đức Quốc xã mà mũi xung kích là các lực lượng thiết giáp của tướng Erich von Manstein. Vatutin là người chỉ huy lực lượng Xô viết ở gần Novgorod và có nhiệm vụ tập trung lực lượng tổ chức phản kích để bao vây quân Đức, ông đã làm Manstein bất ngờ, buộc vị tướng Đức này phải quay về thế phòng ngự và buộc Cụm tập đoàn quân Bắc phải tổ chức lại lực lượng để dập tắt cuộc tấn công của Hồng quân. Bằng cách đó, chiến dịch của Vatutin đã làm người Đức bỏ lỡ mùa hè quý giá cho một cuộc tấn công hiệu quả vào Leningrad và giúp Hồng quân có thêm thời gian để củng cố việc phòng ngự thành phố. Quân đội Đức sau này đã không bao giờ có thể chiếm được Leningrad, một trong những thất bại mang tính chiến lược của họ trong Chiến tranh thế giới thứ hai. Thực ra thì chiến dịch của Vatutin ban đầu không đạt được kết quả mong muốn vì ông đã đánh giá quá cao khả năng lực lượng Hồng quân của mình, trong khi mục tiêu đề ra quá lớn và sự phối hợp giữa các lực lượng Xô viết rất yếu. Thêm vào đó, Vatutin cũng không tính đến việc quân Đức có thể lợi dụng địa hình để tổ chức phòng ngự và làm chậm nhịp tấn công của Hồng quân, điều này đã làm lực lượng của Vatutin bị thiệt hại lớn, tới gần 60% lực lượng. Rất may mắn cho cuộc tấn công của người Liên Xô là Sư đoàn xe tăng số 28 của Đại tá Ivan Chernyakhovsky đã chiến đấu đặc biệt xuất sắc dẫn đến thắng lợi cuối cùng của chiến dịch.

Tháng 1 năm 1942, trong cuộc tấn công mùa Đông của Hồng quân sau chiến thắng của Trận Moskva, Vatutin đã bao vây được hai quân đoàn Đức Quốc xã tại Demyansk, đây là cuộc bao vây lớn đầu tiên do Hồng quân thực hiện thành công.

Voronezh và Stalingrad

Từ tháng 5 đến tháng 7 năm 1942, Vatutin là Phó Tổng tham mưu trưởng Hồng quân cho đến khi Cụm tập đoàn quân Nam Đức Quốc xã mở Chiến dịch Blau. Cuộc tấn công mở màn chiến dịch của người Đức là nhằm vào Voronezh với ý đồ chọc thủng chiến tuyến của các lực lượng Xô viết để tiếp đó tấn công vào sau lưng Phương diện quân Nam và Phương diện quân Tây Nam Hồng quân, tiến đến bao vây hai phương diện quân này. Vì tình hình cấp bách, ngày 1 tháng 7, Vatutin được cử làm đại diện Tổng hành dinh (Stavka) tại mặt trận này, sau đó là Tư lệnh Phương diện quân Voronezh.

Trong Trận Voronezh, Vatutin một lần nữa hợp tác cùng Chernyakhovsky, lúc này là Tư lệnh Quân đoàn xe tăng 18 của Tập đoàn quân 60. Khi những đoàn xe tăng của Chernyakhovsky còn đang được trở đến bằng tàu hỏa thì người Đức đã mở cuộc tấn công lớn vào trận địa của Hồng quân. Chernyakhovsky đã ngay lập tức điều một lữ đoàn của mình ra thẳng mặt trận mà không chờ tập hợp đầy đủ toàn bộ số xe tăng còn lại, lữ đoàn xe tăng của Chernyakhovsky đã thành công trong việc đẩy lui một lực lượng quân Đức vượt trội về quân số. Sau sự kiện này, Vatutin đề nghị Stalin giao chức Tư lệnh Tập đoàn quân 60 cho Chernyakhovsky, ban đầu Stalin không đồng ý với ý kiến này nhưng cuối cùng đã bị Vatutin thuyết phục và Chernyakhovsky nhanh chóng trở thành một trong những chỉ huy chủ chốt của Hồng quân trong chiến tranh.

Ngày 22 tháng 10 năm 1942, Vatutin được cử giữ chức Tư lệnh Phương diện quân Tây Nam tham gia cuộc phản công và bao vây Tập đoàn quân 6 Đức Quốc xã trong Trận Stalingrad. Để bảo đảm mặt trận của Hồng quân xung quanh Stalingrad, tháng 12 năm 1942, phương diện quân của Vatutin đã bao vây và tiêu diệt hai phần ba trong số 130.000 quân tinh nhuệ của Tập đoàn quân số 7 Ý, một trong những nguyên nhân dẫn đến thất bại cuối cùng của Tập đoàn quân 6 Đức Quốc xã.

Kharkov và Kursk

Tháng 1 năm 1943, Vatutin chỉ huy lực lượng Hồng quân truy kích quân Đức về phía Đông Ukraina. Cuộc tấn công của Vatutin đã giúp Phương diện quân Voronezh lúc này do Đại tướng Filipp Golikov chỉ huy chiếm lại Kharkov. nhưng đội quân mỏi mệt của Vatutin đã bị trải rộng trên một địa bàn lớn dẫn đến việc Manstein kịp tập trung lực lượng và đánh bại Hồng quân do Vatutin chỉ huy ở phía Nam Kharkov vào tháng 2 và sau đó bao vây quân của Golikov và chiếm lại thành phố Kharkov. Golikov bị cách chức nhưng Vatutin vẫn được khen thưởng vì chiến đấu dũng cảm và được thăng hàm Đại tướng Hồng quân.

Ngày 28 tháng 3, Vatutin thay Golikov giữ chức Tư lệnh Phương diện quân Voronezh chuẩn bị cho Trận Kursk. Trong trận đánh lớn này, Vatutin đã sử dụng phương pháp tác chiến sáng tạo thay vì cách dàn quân theo quy ước thông thường, dẫn đến chiến thắng của Hồng quân tại Kursk. Sau chiến thắng, Vatutin nhận thấy Thống chế Manstein cho rằng Hồng quân không còn đủ sức để tấn công, vì vậy ông đã tổ chức một chiến dịch tấn công bất ngờ vào lực lượng Đức Quốc xã, dẫn đến việc giải phóng thành phố Belgorod.

Những chiến thắng ở Ukraina

nhỏ|phải|256px|Tư lệnh Phương diện quân Ukraina 1 N. F. Vatutin trong thời gian chỉ huy chiến dịch Korsun - Shevchenko, năm 1944

Ngày 20 tháng 10 năm 1943, Phương diện quân Voronezh được đổi tên thành Phương diện quân Ukraina 1. Sau khi bí mật tập hợp lực lượng và tung hỏa mù bằng một bản kế hoạch giả, Vatutin một lần nữa lại làm Manstein bất ngờ khi tấn công quân Đức từ một hướng mà họ không ngờ tới. Ngày 6 tháng 11, lực lượng của Vatutin giải phóng Kiev và tiếp tục đẩy quân Đức về phía Tây. Ngày 19 tháng 12, quân đội Đức Quốc xã do Thống chế Manstein chỉ huy tổ chức bao vây và tiêu diệt lực lượng mà ông này nghĩ là 4 quân đoàn Hồng quân đang đóng trên tuyến đường sắt Korosten-Kiev. Thực ra thì đây chỉ là lực lượng giả do Vatutin lập ra, quân chủ lực của Phương diện quân Ukraina 1 đã tập trung tấn công vào hướng khác, quân Đức thất bại và nhanh chóng bị đẩy xa hơn về phía Tây.

Cuối tháng 12, đầu tháng 1 năm 1943, sau khi đánh lui cuộc phản công của hai Tập đoàn quân xe tăng Đức, làm thất bại mưu đồ tái chiếm Kiev của Hitler, N.F.Vatutin chỉ huy Phương diện quân Ukraina 1 mở Chiến dịch tấn công Zhitomir–Berdichev và Chiến dịch tấn công Rovno–Lutsk tạo ra một bàn đạp tấn công rộng lớn rất quan trọng trên cánh Bắc của Phưuong diện quân để hai tháng sau đó, từ bàn đạp này, các tập đoàn quân xe tăng của Phương diện quân tiến hành thành công Chiến dịch tấn công Proskurov–Chernovtsy, tiến hành đòn hợp vây và đánh thiệt hại nặng Tập đoàn quân xe tăng 1 (Đức).

Tháng 1 năm 1944, phương diện quân của Vatutin và Phương diện quân Ukraina 2 của tướng Ivan Koniev tiến hành Chiến dịch Korsun-Shevchenko bao vây quân Đức. Một lần nữa, Vatutin lại chiến thắng trong cuộc đấu trí với Manstein, mặc dù tham chiến sau lực lượng của Koniev 2 ngày, Vatutin đã cử Tập đoàn xe tăng số 6, vốn mới được thành lập và chưa tập hợp đủ lực lượng, bất ngờ tấn công và chọc sâu vào tuyến phòng ngự của người Đức. Ngày 3 tháng 2, tập đoàn quân này đã kết nối được với lực lượng thiết giáp của Koniev và tạo thành một "cái túi" bao vậy 56.000 lính Đức. Ngày 17 tháng 2, "cái túi" được giải quyết, lực lượng Đức bị tiêu diệt hoàn toàn.

Tháng 2 năm 1944, ông là đồng tác giả (cùng với G. K. Zhukov) của kế hoạch Chiến dịch tấn công Proskurov–Chernovtsy, một trong các chiến dịch lớn nhất của quân đội Liên Xô ở hữu ngạn Ukraina. Nhưng số phận không may đã làm ông vĩnh viễn rời khỏi cuộc đời chỉ huy quân đội.