Н.Ф. Ватутин родился 16 декабря 1901 года в с. Чепухино (ныне — с. Ватутино Белгородской обл.) в крестьянской семье. В 1920 году был мобилизован в Красную армию. После окончания курсов в Полтавской пехотной школе, был назначен командиром отделения, а затем — помощником командира взвода. Учился на разных факультетах в Военной Академии РККА имени М.В. Фрунзе, окончил Военную академию Генштаба. В 1938 г. был назначен начальником штаба Киевского особого военного округа, затем командиром корпуса.
Великую Отечественную войну встретил на должности начальника Оперативного управления в Генеральном штабе. 30 июня 1941 года он был назначен начальником штаба Северо-Западного фронта, где иногда ему также приходилось непосредственно руководить войсками. В это время он сумел пресечь попытку нацистов прорваться к Новгороду, таким образом, замедлил продвижение врага в районе берегов Балтийского моря.
В октябре 1942 года был назначен командующим войсками Юго-Западного фронта, во главе которого принимал участие в Сталинградской битве. Здесь военачальник в полной мере проявил свои блестящие организаторские способности.
Весной 1943 года переведен на должность командующего Воронежским фронтом. В его распоряжении оказалась широкая полоса танкодоступной местности на южном фасе Курской дуги. Ватутин лично контролировал строительство укреплений и подготовку к битве артиллерии, допрашивал пленных, стараясь выяснить детали грядущего немецкого наступления. Инициированное им использование танковых соединений в обороне стало новым словом в военном искусстве. Также ему принадлежит идея создания мощных ударных группировок, применении танковых корпусов в качестве подвижных групп армий, а танковых армий — в качестве подвижных групп фронта. Это позволило обеспечить высокие темпы при прорыве обороны противника и его преследовании. В итоге гитлеровское наступление на Курской дуге было сорвано, а в августе 1943 года его войска совместно с войсками Степного фронта провели Белгородско-Харьковскую операцию, разгромив 15 дивизий противника.
В феврале 1944-го генерал армии Ватутин разрабатывал план полного изгнания немецких войск с территории Украины, но воплотить их в жизнь не успел. 29 февраля на Н.Ф. Ватутина было совершено покушение, организованное бандитами УПА. Во время перестрелки он получил тяжёлое ранение несовместимое с жизнью.
17 апреля 1944 года Николая Федоровича похоронили в Киеве в Мариинском парке. В час погребения генералу армии Ватутину была отдана последняя воинская почесть — в Москве прозвучал салют в двадцать четыре залпа из двадцати четырех орудий.
6 мая 1965 года Николай Федорович Ватутин был посмертно представлен к званию Героя Советского Союза.