Родился 16 декабря 1901 г. (3 декабря по старому стилю) в с. Чепухино Воронежской губернии Российской империи (ныне с. Ватутино Валуйского района Белгородской обл. РФ) в крестьянской семье.
В 1913 г. окончил церковно-приходскую школу, затем в 1915 г. земское училище в г. Валуйки, а позже учился в Уразовском коммерческом училище (пос. Уразово, Белгородская обл.). В 1917 г., когда Николаю Ватутину перестали выплачивать стипендию, он был вынужден вернуться в родное село, где до апреля 1920 г. работал переписчиком в волостном правлении.
25 апреля 1920 г. добровольно вступил в Рабоче-крестьянскую Красную армию (РККА) и уже в сентябре принял участие в боях против отрядов Нестора Махно в районах Луганска и Старобельска.
В 1922 г. с отличием окончил 14-ю Полтавскую пехотную школу (позднее Сумское высшее артиллерийское командное училище им. М. В. Фрунзе, расформировано в 2007 г.), после чего был назначен командиром отделения 67-го стрелкового полка 23 отдельной стрелковой дивизии. В 1923 г. стал командиром взвода в том же полку.
В 1924 г. окончил Киевскую высшую объединенную военную школу (позднее Киевское высшее общевойсковое командное училище им. М. В. Фрунзе, расформировано в 1992 г.), после чего вернулся в свой полк и в 1925 г. был назначен командиром роты.
В 1929 г. окончил Военную академию РККА им. М.В. Фрунзе (ныне Общевойсковая академия Вооруженных сил РФ, Москва).
В том же 1929 г. был направлен в штаб стрелковой дивизии в Чернигове (Украинская ССР, ныне Украина). С 1931 г. являлся начальником штаба горно-стрелковой дивизии в г. Орджоникидзе (Северо-Осетинская автономная область РСФСР, ныне Владикавказ, Республика Северная Осетия - Алания).
В 1934 г. окончил оперативный факультет Военной академии РККА им. М. В. Фрунзе.
В 1937 г. стал выпускником Военной академии Генерального штаба РККА (ныне Военная академия Генерального штаба ВС РФ, Москва).
В 1938 г. Николай Ватутин принял командование штабом Киевского особого военного округа. В 1940 г. военачальнику было присвоено звание генерал-лейтенанта. В начале 1941 г. он был назначен первым заместителем начальника Генштаба.
В первые дни Великой Отечественной войны 1941-1945 гг. Николай Ватутин возглавил работу Генштаба, пока Георгий Жуков находился в качестве представителя Ставки Главного Командования (с 10 июля 1941 г. - Верховного Главнокомандования, ВГК) на Юго-Западном фронте. 30 июня 1941 г. генерал-лейтенант Ватутин был назначен начальником штаба Северо-Западного фронта. Руководил разработкой и проведением контрударов, в результате которых германские войска понесли тяжелые потери на подступах к Ленинграду (ныне Санкт-Петербург). В октябре 1941 г. Николай Ватутин возглавил оперативную группу войск, которая нанесла внезапный удар по немецкой группировке в районе г. Калинина (ныне Тверь) и сорвала вражеское наступление на г. Торжок.
В мае 1942 г. Николай Ватутин вернулся в Генеральный штаб на должность заместителя начальника. 14 июля 1942 г. на совещании Ставки ВГК он предложил свою кандидатуру на должность командующего недавно образованного Воронежского фронта и получил согласие верховного главнокомандующего Иосифа Сталина.
После нескольких неудачных попыток очистить г. Воронеж от войск противника Ватутин в октябре 1942 г. был назначен командующим второго формирования Юго-Западного фронта, которому отводилась важная роль в Сталинградской наступательной операции. При взаимодействии с частями Сталинградского и Донского фронтов войска под командованием Ватутина принимали активное участие в окружении и ликвидации 330-тысячной группировки противника под Сталинградом (ныне Волгоград).
В январе - феврале 1943 г. силы Юго-Западного фронта под командованием Николая Ватутина участвовали в Ворошиловградской операции, в результате которой от войск противника была освобождена северная часть Донбасса. По итогам операции Ватутин получил звание генерала армии.
В марте 1943 г. Ватутина снова назначили командующим Воронежским фронтом, войска которого вели оборонительные и наступательные действия в ходе Курской битвы. Под руководством генерала армии Ватутина проводилась Курская оборонительная операция, позже была разгромлена белгородско-харьковская немецкая группировка, освобождены города Белгород и Харьков.
20 октября 1943 г. Воронежский фронт был переименован в 1-й Украинский. Впоследствии войска Ватутина участвовали в битве за Днепр, в Киевской наступательной операции и последующих боях по освобождению Правобережной Украины, провели Ровно-Луцкую операцию, а также совместно со 2-м Украинским фронтом под командованием генерала Ивана Конева окружили крупную группировку врага в районе г. Корсунь-Шевченковский (Украинская ССР, ныне Украина).
29 февраля 1944 г. в районе с. Милятин-Бурини (ныне с. Милятин в Ровненской обл. Украины) автоколонна, в которой находился Николай Ватутин, подверглась нападению Украинской повстанческой армии. В результате перестрелки генерал был ранен в ногу и в тяжелом состоянии доставлен в ближайший военный госпиталь в г. Ровно. Позже его перевезли на лечение в Киев (Украинская ССР, ныне Украина), где 15 апреля 1944 г. военачальник скончался от заражения крови на 44-м году жизни. Похоронен в Мариинском парке Киева.
Генерал армии (1943)
Был награжден двумя орденами Ленина (1941; посмертно в 1965), орденом Красного Знамени (1941), орденом Суворова I степени (1943), орденом Кутузова I степени (1943), медалями и иностранными наградами.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 6 мая 1965 г. Николаю Ватутину было присвоено звание Героя Советского Союза (посмертно).