Vuonna 1942 hänestä tehtiin Brjanskin rintaman (myöhemmin Voronežin rintama) komentaja ja hän toimi puna-armeijan komentajana Kurskin taistelussa. Rintama uudelleen nimettiin 1. Ukrainan rintamaksi ja lokakuussa 1943 Vatutin johti Kiovan vapautustaistelua.