Ngày 28 tháng 2 năm 1944, N. F. Vatutin cùng với N. S. Khrushchev (ủy viên Hội đồng quân sự Phương diện quân) đi thị sát chiến tuyến của Tập đoàn quân 13 và Tập đoàn quân 60 tại khu vực Dubno, Slavuta để chuẩn bị cho chiến dịch mới. Buổi chiều ngày 29 tháng 2 năm 1944, khi đi qua làng Milyatin, đoàn xe của ông đã bị Quân đội Khởi nghĩa Ukraina (UPA) của Bandera phục kích sâu trong hậu phương Xô viết. N. F. Vatutin lệnh cho mọi người rời xe. Bản thân ông cũng mang một khẩu PPSh-41 và tham gia chiến đấu. Ngay lúc đó, quân Bandera bắn cháy hai chiếc xe trong đoàn, trong đó có xe của ông, chiếc duy nhất có máy bộ đàm liên lạc với Sở chỉ huy. Do chỉ có hơn 10 người nên N. F. Vatutin lệnh cho người lái chiếc xe của N. S. Khruschev sử dụng chiếc xe còn lại thoát ra khỏi trận đánh gọi quân cứu viện. Còn bản thân ông và N. S. Khruschev ở lại cùng các sĩ quan đội cận vệ tổ chức phòng thủ vòng tròn. Đại tá N. I. Semikov, chỉ huy đội cận vệ khuyên ông nên lùi về phía sau khẩu đại liên để nhờ hỏa lực che chắn. N. F. Vatutin phản đối. Ông nói rằng ông cũng là một người lính và phải chiến đấu như tất cả những người lính khác.[1]

Trận đánh kéo dài gần một giờ, khi các đội bảo vệ hậu tuyến của Tập đoàn quân 13 kéo đến đẩy lùi quân Bandera thì N. F. Vatutin đã bị một viên đạn xuyên qua đùi phải, làm gãy xương và đứt động mạch đùi. Đồng đội đã tạm thời cầm máu và khiêng ông lên một chiếc xe ngựa ra đường nhựa Rovno. Tại đây, một ô tô chờ sắn đã chở ông thẳng về Tiểu đoàn quân y dã chiến 506 ở Rovno để sơ cứu. Mặc dù nối được xương đùi cho ông nhưng ở đây không có bác sĩ có tay nghề cao và phương tiện cần thiết để nối lại động mạch chủ của ông. Ngày 2 tháng 3, ông được đưa về Kiev bằng máy bay Si-47 mặc dù tướng Krayniukov, Uỷ viên Hội đồng quân sự phương diện quân Ukraina 1 đã đề nghị đưa ông về Moskva. Các bác sĩ giàu kinh nghiệm nhất của Liên Xô khi đó đã được một chuyến bay đặc biệt cấp tốc đưa từ Moskva đến để cứu chữa cho ông. Bác sĩ, giáo sư phẫu thuật nổi tiếng N. N. Burdenko đã mổ cho ông. Tuy nhiên, N. N. Burdenko cho biết, do vết thương bị nhiễm lạnh nghiêm trọng và làm garo cầm máu quá lâu nên chân phải của ông đang bị hoại tử và nhiễm trùng rất nặng.[2] Các biện pháp chống nhiễm trùng bằng kháng sinh được triển khai; song, y học khi đó vẫn bất lực trước hội chứng hoại tử. Giải pháp tối hậu là phải cắt cụt chân phải của N. F. Vatutin đến tận hết đùi để chống hoại tử lan lên phía trên. Ban đầu. N. F. Vatutin phản đối kịch liệt. Ông hét lên: "Thà đẩy tôi xuống địa ngục còn hơn là cắt chân tôi. Tôi không thể sống mà không có chân". Các bác sĩ đã phải cố gắng thuyết phục ông. Ngày 4 tháng 4, ông phải chịu cuộc phẫu thuật lần thứ hai để cắt bỏ chân phải.[3] Trong 10 ngày sau đó, các bác sĩ đã làm mọi biện pháp để cứu ông nhưng N. F. Vatutin đã bị nhiễm trùng máu trầm trọng, thường xuyên sốt cao 39 đến 40 độ. Đêm 15 tháng 4 năm 1944, N. F. Vatutin trút hơi thở cuối cùng khi mới 42 tuổi.[4]

Ngày 17 tháng 4, tang lễ Nikolay Vatutin được tổ chức theo nghi thức cấp nhà nước tại Kiev. Tới dự có đại tướng F. I. Golikov, đại diện Bộ tổng tư lệnh tối cao quân đội Liên Xô, trung tướng K. V. Krayniukov, Ủy viên Hội đồng quân sự, thiếu tướng Z. T. Serdyuk, Chủ nhiệm chính trị Phương diện quân Ukraina 1, Chủ tịch Hội đồng nhân dân tỉnh Kiev S. I. Olenik, các đại biểu hội đồng nhân dân tỉnh Kiev gồm Viện sĩ N. N. Grishko và nhà thơ Nikolai Bazhyan. Hàng nghìn người dân Kiev đã đến tiễn đưa N. F. Vatutin đến nơi an nghỉ cuối cùng. Cùng giờ hạ huyệt, Moskva bắn 20 loạt đại bác tiễn biệt ông.[5]