El 22 d'octubre de 1942, Vatutin va ser nomenat cap del Front Sud-occidental, tenint un paper important en els plans per a la contraofensiva soviètica i encerclament del 6è Exèrcit alemany a la batalla de Stalingrad. Al desembre de 1942, per assegurar el setge al voltant de la ciutat, Vatutin envoltà i destruí al 7è Exèrcit italià, contribuint al fracàs de l'Operació Wintergewitter del mariscal von Manstein.