Ngày 28 tháng 3, Vatutin thay Golikov giữ chức Tư lệnh Phương diện quân Voronezh chuẩn bị cho Trận Kursk. Trong trận đánh lớn này, Vatutin đã sử dụng phương pháp tác chiến sáng tạo thay vì cách dàn quân theo quy ước thông thường, dẫn đến chiến thắng của Hồng quân tại Kursk. Sau chiến thắng, Vatutin nhận thấy Thống chế Manstein cho rằng Hồng quân không còn đủ sức để tấn công, vì vậy ông đã tổ chức một chiến dịch tấn công bất ngờ vào lực lượng Đức Quốc xã, dẫn đến việc giải phóng thành phố Belgorod.