Từ tháng 5 đến tháng 7 năm 1942, Vatutin là Phó Tổng tham mưu trưởng Hồng quân cho đến khi Cụm tập đoàn quân Nam Đức Quốc xã mở Chiến dịch Blau. Cuộc tấn công mở màn chiến dịch của người Đức là nhằm vào Voronezh với ý đồ chọc thủng chiến tuyến của các lực lượng Xô viết để tiếp đó tấn công vào sau lưng Phương diện quân Nam và Phương diện quân Tây Nam Hồng quân, tiến đến bao vây hai phương diện quân này. Vì tình hình cấp bách, ngày 1 tháng 7, Vatutin được cử làm đại diện Tổng hành dinh ("Stavka") tại mặt trận này, sau đó là Tư lệnh Phương diện quân Voronezh.