Nella primavera 1942 Vatutin venne richiamato a Mosca e riassegnato allo Stato Maggiore generale, in riorganizzazione sotto la capace guida del maresciallo Šapošnikov e del generale Vasilevskij; l'inizio dell'Operazione Blu provocò una nuova grave crisi nel fronte sovietico, Vatutin venne inviato sul fronte di Voronež per sostituire il generale Filipp Golikov e assumere la difesa della città (luglio 1942). Comandante per la prima volta di un fronte operativo, fece mostra dell'ottimismo, l'audacia, la capacità strategica e la straordinaria energia che avrebbero caratterizzato per tutta la guerra la sua conduzione sul campo, usando contro i tedeschi la loro stessa tattica della blitzkrieg basata su l'amassamento di truppe in colonne, con ingente uso di reparti corazzati con il supporto massiccio di fanteria e aviazione, che si incuneano in profondità in territorio nemico, per poi compiere ampie azioni, prima di sfondamento e e successivamente di accerchiamento del nemico. La città di Voronež venne difesa aspramente contro le potenti forze tedesche. Per questi meriti, venne nominato nell'ottobre 1942 al comando del neo-costituito Fronte sud-occidentale con il compito importantissimo di costituire l'ariete strategico della prevista e decisiva Operazione Urano nel settore di Stalingrado.