Родился в селе Чепухино (ныне Ватутино) Белгородской области (Россия) в крестьянской семье. Участник Гражданской войны. В 1922 г. окончил Полтавскую пехотную школу, в 1924 г. — Киевскую высшую объединённую школу, в 1929 г. — Военную академию имени М. В. Фрунзе, в 1934 г. — оперативный факультет этой же академии, в 1937 г. — академию Генерального штаба. До Великой Отечественной войны начальник штаба дивизии, заместитель начальника штаба военного округа, начальник штаба Киевского военного округа, начальник Оперативного управления Генерального штаба. Во время Великой Отечественной войны начальник штаба Северо-Западного фронта, заместитель начальника Генштаба и уполномоченный Ставки на Брянском фронте. Командовал войсками Воронежского, Юго-Западного, 1-го Украинского фронтов. Участник Сталинградской и Курской битв, форсирования Днепра и освобождения Украины.

Награждён орденами: Ленина, Красного Знамени, Суворова I степени, Кутузова I степени, медалями, а также иностранным орденом.

Похоронен в Киеве.

Именем Н. Ф. Ватутина в 1947 г. названы улица, проезд и переулок в Первомайском районе.

Во время Великой Отечественной войны начальник штаба Северо-За­падного фронта, заместитель начальника Генштаба и уполномоченный Ставки на Брянском фронте. Ко­мандовал войсками Воронежского, Юго-Западного, 1-го Украинского фронтов.

За мужество и героизм, проявленные в годы Великой Отечественной войны, указом Президиума Верховного Совета СССР от 6 мая 1965 года, генералу армии Ватутину Николаю Федоровичу присвоено звание Героя Советского Союза (посмертно).

Ватутин Николай Фёдорович // Их именами названы... Улицы Минска: энциклопедический справочник / [редколлегия: В.В. Андриевич (главный редактор) и др.]. — Минск : Беларуская Энцыклапедыя, 2014. — С. 65.

Ватутин Николай Фёдорович // Герои страны: Международный патриотический интернет-проект [Электронный ресурс]. — Режим доступа: URL: https://warheroes.ru/hero/hero.asp?Hero_id=295. — Дата обращения: 18.10.2023.

Ватутин Николай Фёдорович // Минск: энциклопедический справочник / Белорусская Советская Энциклопедия; [редколлегия: И. П. Шамякин (главный редактор) и др.]. — Изд. 2-е, дополненное и переработанное. — Минск: Белорусская Советская Энциклопедия, 1983. — С. 117.