Entre maig i juliol de 1942 va actuar un breu temps com a delegat del Cap d'Estat Major General de l'Exèrcit Roig, fins que el Grup d'Exèrcits Sud inicià l'Operació Blau. A l'inici, l'assalt alemany es concentrà a Vorónej, doncs volien travessar la línia frontal soviètica i atacar als fronts Sud i Sud-Occidental de l'Exèrcit Roig per la rereguarda. L'1 de juliol de 1942, Stalin envià a Vatutin com a representant de la Stavka al Front de Briansk, que en pocs dies passà a anomenar-se Front de Vorónej, nomenant-se a Vatutin com a comandant. Durant la batalla, Vatutin es retrobà amb Txerniakovski qui, en una acció temerària, va fer atacar una sola brigada les forces alemanyes (que estaven a punt de trencar la línia soviètica), fent-les retrocedir. Per aquest motiu, Vatutin convencé a Stalin que atorgués a Txerniakovski el comandament del 60è Exèrcit. Tot i que els alemanys van capturar finalment la ciutat, el seu intent de trencar la línia frontal de l'exèrcit de Vatutin va fracassar. Com a conseqüència d'aquest fracàs, els alemanys van abandonar el seu pla inicial i es van concentrar en la conquesta de Stalingrad.