С 22 по 26 июня 1941г. Ватутин фактически возглавлял работу Генштаба, т.к. в это время Жуков находился на Юго-Западном фронте в качестве представителя Ставки Главного командования. 30 июня его назначают начальником штаба Северо-Западного фронта. В тот же день он во главе группы генералов и офицеров направился в Псков, где располагался штаб фронта. К моменту прибытия Ватутина в Псков обстановка на Северо-Западном фронте была сложной: его войска отступали из Прибалтики и Москву. Задачи предстояли тяжелейшие: требовалось отойти на Валдайскую возвышенность, обеспечить целостность фронта между Ленинградом и Москвой. С главной задачей удалось справиться. В середине мая 1942г. его возвращают на работу в Генеральный штаб, а через два месяца он становится во главе Воронежского фронта. Ватутину удалось остановить продвижение противника и стабилизировать фронт, после чего его войска стали перемалывать живую силу и технику гитлеровцев. В октябре 1942г. Николая назначают командующим войсками образованного Юго-Западного фронта, которому предстояло сыграть важнейшую роль в рамках плана операции «Уран». В конце марта 1943 года генерал армии Ватутин вновь вступил в командование Воронежским фронтом. К тому времени его войска находились на рубеже, который со временем получил название «Курской дуги». Курская битва стала переломным этапом в ходе Великой Отечественной войны. 29 февраля 1944 года генерал армии Ватутин вместе со своим сопровождением выехал на двух машинах в расположение 60-й армии, чтобы проверить ход подготовки к очередной операции. Машины попали под обстрел диверсионной группы УПА. Ватутин был ранен в бедро. Тяжелораненого военачальника на поезде доставили в киевский госпиталь. 15 апреля 1944 года он скончался.