Родился 16 декабря 1901 года в селе Чепухине Воронежской губернии (ныне село Ватутино Валуйского района Белгородской области), в крестьянской семье. Русский. С отличием закончив Валуйское двухклассное земское училище, Н. Ватутин успешно выдерживает конкурсные экзамены в коммерческое училище, которое находилось в слободе Уразово. Вернувшись в родное село, он работал в волостном правлении.
В возрасте 19 лет Николай Ватутин добровольцем ушел в Красную Армию. Военную службу начал рядовым бойцом 3-го запасного стрелкового полка в Харькове. В годы гражданской войны участвовал в боях против вооруженных формирований Н.И. Махно в районах Луганска и Старобельска. Член ВКП(б) с 1921 года.
В 1922 году окончил Полтавскую пехотную школу, в 1924 году – Киевскую высшую объединенную школу, в 1929 году
– Военную академию имени М.В. Фрунзе, в 1934 году – оперативный факультет этой же академии и в 1937 году – Академию Генерального штаба.
В межвоенный период командир взвода, помощник командира, командир роты, помощник начальника 2-го оперативного отдела штаба 7-й стрелковой дивизии. В 1931–1941 гг. начальник штаба дивизии, начальник 1-го отдела штаба Сибирского военного округа, заместитель начальника и начальник штаба Киевского особого военного округа, начальник оперативного управления и 1-й заместитель начальника Генерального штаба.
Во время Великой Отечественной войны с июля 1941 года по май 1942 года Н.Ф. Ватутин – начальник штаба Северо-Западного фронта, в мае – июле 1942 года – первый заместитель начальника Генерального штаба и уполномоченный Ставки на Брянском фронте.
Полководческий талант Н.Ф. Ватутина особенно ярко проявился в период командования им войсками Воронежского (с июля по октябрь 1942 года и с марта по октябрь 1943 года), Юго-Западного (с октября 1942 года по март 1943 года) и 1-го Украинского (с октября 1943 года – по март 1944 года) фронтов.
Его войска во взаимодействии с войсками Сталинградского и Донского фронтов окружили 330-тысячную группировку противника под Сталинградом, а в декабре 1942 года во взаимодействии с левым крылом Воронежского фронта провели Среднедонскую операцию, нанесли решительное поражение группировке противника на Среднем Дону, окончательно сорвали план противника деблокировать окруженные под Сталинградом войска. В марте 1943 года вновь назначен командующим Воронежским фронтом. Летом 1943 года в период оборонительного сражения на Курской дуге части и соединения фронта отразили мощные удары противника, в ходе контрнаступления успешно решили задачу прорыва глубоко эшелонированной обороны.
Н.Ф. Ватутин внес значительный вклад в развитие теории и практики контрнаступления, окружения и разгрома крупных группировок противника, действий подвижных групп фронта и армии, осуществления решительного маневра войсками, организации устойчивой и активной глубоко эшелонированной оперативной обороны.
29 февраля 1944 года в 16 часов 30 минут командующий 1-м Украинским фронтом генерал армии Н.Ф. Ватутин и член Военного совета фронта генерал-майор К.В. Крайнюков в сопровождении охраны в количестве 8 человек выехали из штаба 13-й армии, расположенного в районе города Ровно, в район города Славута, где располагался штаб 60-й армии, по маршруту Ровно – Гоща – Славута. Подъехав в 19 часов 40 минут к северной окраине села Милятын, командующий и сопровождающие его лица обратили внимание на людскую толпу в количестве от 250 до 300 человек и одновременно услышали одиночные выстрелы из толпы. Автомобили остановились, и Николай Федорович приказал выяснить, что произошло. Но внезапно из окон домов по машинам командующего и сопровождения был открыт ружейный огонь. Это были украинские националисты – бандеровцы.
Генерал Ватутин вместе с охраной выбрался из машины, но был ранен в ногу выше колена. Так как перевязку ему смогли сделать только в селе Гоща, он потерял много крови.
Затем его доставили в военный госпиталь города Ровно, откуда переправили в столицу Украины – Киев, где за жизнь славного полководца боролись лучшие врачи, в том числе известный хирург Н.Н. Бурденко. Однако спасти Н.Ф. Ватутина не удалось.
Командующий 1-м Украинским фронтом Н.Ф. Ватутин умер в ночь на 15 апреля 1944 года.
17 апреля Н.Ф. Ватутина похоронили в городе Киеве.
Москва двадцатью артиллерийскими залпами отдала последние воинские почести талантливому военачальнику.
В 1948 году на могиле генерала армии Н.Ф. Ватутина в центре Киева, в Мариинском парке, установлен памятник. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 6 мая 1965 года Ватутин Николай Федорович удостоен звания Героя Советского Союза (посмертно).
Награжден орденом Ленина, орденами Красного Знамени, Суворова 1-й степени, Кутузова 1-й степени, медалями и чехословацким орденом.
В селе Ватутине Валуйского района Белгородской области открыт дом-музей Героя. Именем Героя назван город в Черкасской области. Во многих городах, в том числе и в Новосибирске, в честь Н.Ф. Ватутина названы улицы [70, 78, 101, 156, 178, 228, 232, 237, 334, 524, 534, 535, 595, 913, 940, 945, 1194].