Tháng 1 năm 1979, Obaturov được cử sang Việt Nam làm Cố vấn trưởng Quân sự cho Bộ Quốc phòng Cộng hòa Xã hội Chủ nghĩa Việt Nam. Ông được phong quân hàm Đại tướng bởi một sắc lệnh của Đoàn chủ tịch Xô viết tối cao Liên Xô vào ngày 19 tháng 2 năm 1979. Bấy giờ, quân đội Trung Quốc đã vượt qua biên giới phía bắc Việt Nam và Chiến tranh biên giới Việt–Trung 1979 đã nổ ra. Đứng đầu đoàn cố vấn, Obaturov ngay lập tức đến khu vực chiến đấu và theo lời thuật của những người tham gia các sự kiện đó, có ảnh hưởng lớn đến bộ chỉ huy và lãnh đạo chính trị Việt Nam trong việc quản lý các hoạt động chiến đấu. Ông đã đóng một vai trò lớn trong thực tế là cuộc tấn công của Trung Quốc đã bị chặn đứng ngay cả ở khu vực biên giới với rất nhiều thiệt hại cho những kẻ tấn công. Cuối tháng 3 năm 1979, Trung Quốc phải rút quân khỏi tất cả các vùng của Việt Nam. Trong những năm sau đó, ngoài việc giúp trang bị lại và tổ chức lại quân đội Việt Nam, ông còn tham gia vào việc thành lập lực lượng vũ trang Lào và Campuchia.