Nikolay Vatutin sinh năm 1901 trong một gia đình nông dân ở Voronezh thuộc Đế quốc Nga. Năm 1920 ông được gọi nhập ngũ và chiến đấu trong lực lượng Hồng quân chống lại các du kích nông dân nổi dậy Ukraina của Nestor Makhno. Năm 1921 ông trở thành Đảng viên Đảng Bolshevik. Năm 1926 ông bắt đầu vào học tại Học viện quân sự Frunze và sau đó là Học viện Bộ Tổng tham mưu Xô viết. Năm 1938, sau khi Hồng quân trở nên thiếu hụt trầm trọng chỉ huy do cuộc Đại thanh trừng, Vatutin được cử giữ chức Tham mưu trưởng Quân khu đặc biệt Kiev.

Năm 1939, Vatutin trở thành Tham mưu trưởng Cụm quân Nam của Hồng quân. Năm 1940, sau những trận chiến ở Bessarabia, ông được thăng hàm trung tướng và được giao vị trí quan trọng Cục trưởng Cục tác chiến của Bộ Tổng tham mưu. Tuy là vị chỉ huy có tài và sáng tạo, nhưng Vatutin vẫn còn trẻ và chưa hề có kinh nghiệm chiến đấu hay chỉ huy ở quy mô lớn như vậy. Vì lý do này, Vatutin cùng với các tướng lĩnh khác phải chịu trách nhiệm trong việc Hồng quân thiếu sự chuẩn bị trước Chiến dịch Barbarossa của quân đội Đức Quốc xã ngày 22 tháng 6 năm 1941.