Прослужив шесть лет в рядах РККА, занимая командирские должности, окончив два военных учебных заведения, Н.Ф. Ватутин обрёл право на поступление в военную академию. Однако поступление в академию дело серьёзное, требующее значительной дополнительной подготовки. И Николай Фёдорович немногое свободное время, остающееся от службы, практически полностью посвятил занятиям. Его супруга, Татьяна Романовна, позже вспоминала о той поре: «Как много он тогда работал! Самостоятельно пришлось осваивать химию и физику. Ни никаких репетиторов не признавал, всегда занимался сам» [31; 6 7].
Воля Н.Ф. Ватутина, проявившиеся ещё в детстве настойчивость и тяга к знаниям, любовь к военному делу дали свой положительный результат в 1926 году он выдерживает строгие и сложные экзамены в Военную академию им. Фрунзе и становится её слушателем.
Здесь Николай Фёдорович остался верен себе. «Работает, как вол», говорят о таких людях. И это действительно так. Учебный (рабочий) день молодого краском-«академика» Н.Ф. Ватутина начинался в 7.00 утра и заканчивался в 2 3 часа ночи. Засиживаясь в Академии допоздна, Николай Фёдорович, возвратившись домой, и здесь продолжал вои «штудии». Он не ограничивался программой (обширной и сложной), а старался самостоятельно осваивать многие вопросы военного искусства. Именно поэтому вступил в военно-научное общество, разрабатывал теоретические проблемы [8; 41].
Академия им. Фрунзе, которая на тот момент, по существу, выполняла роль Академии Генштаба (она и была-то организована на базе старой, ещё императорской, Академии Генерального штаба), очень основательно готовила своих слушателей, воспитывая из них командиров высшего звена и штабных работников. Именно в Академии Н.Ф. Ватутин полюбил штабную работу, в которой и впоследствии, уже командуя войсковыми объединениями, он выказывал не менее умения, знаний и навыков, чем любой из его начальников штаба.
Надо сказать, что, полностью отдаваясь учёбе, Н.Ф. Ватутин не отрывался от жизни. В его партийной характеристике по окончании Академии записано: «В партийной, политической жизни активен» [8; 49]. В самом деле, он был членом партийного бюро третьего курса академии, вёл активную работу среди беспартийных, боролся «с правым уклоном и примиренчеством», деятельно способствовал «ликвидации троцкистского болота и выкорчёвыванию остатков троцкизма» [8; 47]. Процитированные в последнем предложении слова это слова самого Н.Ф. Ватутина. Так он писал в 1929 году в своей статье «Из опыта партийной работы третьего основного курса», размещённой в журнале «Рупор» [8; 47].
Не менее ярко как коммуниста-ленинца, твёрдо отстаивающего курс партии, характеризует Н.Ф. Ватутина то обстоятельство, что, уже находясь вскоре после окончания Академии в войсках, получив из дома известия от родных о том, что в Чепухино дело организации колхоза идёт очень трудно, он взял отпуск и активно содействовал колхозному строительству в родном селе. Уважавшие Николая Фёдоровича с его юных лет сельчане, пошли за ним, молодым красным командиром, поверили ему. [8; 46 47].
Но Н.Ф. Ватутин не был «сухим солдафоном» и «зашоренным партийцем». С юности отдавая много сил самообразованию, будучи человеком больших знаний и широкого кругозора, он старался своё пребывание в Москве, этом центре культурной жизни страны, использовать с максимальной пользой. Как вспоминала Татьяна Романовна Ватутина, несмотря на очень напряжённый график учёбы, они с Николаем Фёдоровичем пересмотрели спектакли почти всех московских театров, побывали в большинстве московских музеев и даже выезжали на экскурсии в Ленинград [8; 41].
Закончив в мае 1929 года с отличием Военную академию им. Фрунзе, Н.Ф. Ватутин получает назначение в штаб 7-й стрелковой дивизии, располагавшейся в Чернигове, на должность помощника начальника 1-й части штаба. На этой должности он зарекомендовал себя с наилучшей стороны, показав не только отменную теоретическую подготовку, способность к штабной работе, но и великолепные организаторские способности [8; 50], [31; 7], [82; 1]. Поэтому его вскоре переводят в штаб Северо-Кавказского военного округа на должность помощника начальника одного из основных отделов штаба [8; 50 51], [31; 7]. Это было не только повышение по должности. Работа в штабе более высокого уровня давала Н.Ф. Ватутину возможность профессионально совершенствоваться. Ведь в штабе округа сосредоточивался опыт многих соединений, и Н.Ф. Ватутин теперь мог оценивать свою работу в штабе дивизии как бы сверху. А кроме того, окружной штаб предоставлял значительно более широкое поле для применения на практике теоретических знаний, полученных в военной академии. И Николай Фёдорович в полной мере использовал открывающиеся возможности для профессионального роста. Изучая на уровне округа действия различных родов войск, он всегда стремился искать и внедрять что-то новое, распространять лучший опыт в частях и соединениях. Поэтому не приходится удивляться таким вот приказам, периодически отдаваемым по штабу Северо-Кавказского военного округа:
«Помощнику начальника отдела штаба товарищу Ватутину за добросовестное и вдумчивое инспектирование войск и за ряд ценных предложений объявляется благодарность» [8; 51].
«Проведённые под руководством Ватутина опытные учения дали богатый материал по организации управления войсками» [8; 51].
После полуторагодичной службы в штабе Северо-Кавказского военного округа, в конце 1931 года, Н.Ф. Ватутина назначают начальником штаба 28-й горнострелковой дивизии того же округа [8; 51], [31; 7].
Для него эта работа стала важнейшим этапом профессионального роста впервые он оказался на самостоятельной должности такого уровня. Совершенствуя навыки командира-штабиста, получая много нового ценного опыта, который давала служба в горных районах, он в то же время всегда оставался на уровне военной науки своего времени, сочетая работу с учёбой. Причём, речь идёт не только о самообразовании. Уже в ноябре 1933 года Н.Ф. Ватутин вновь становится слушателем военной Академии им. Фрунзе, на сей раз курсов усовершенствования комсостава при оперативном факультете этой Академии. Желание Н.Ф. Ватутина повышать свой образовательный и профессиональный уровень абсолютно совпадало с требованиями времени и потребностями Красной Армии. Дело в том, что бурное развитие боевой техники приводило и к появлению нового типа соединений (моторизованных и механизированных), и к разработке новых принципов ведения операций, которые основывались именно на использовании этих мобильных соединений, и, как следствие указанных обстоятельств, к возникновению новых требований к искусству вождения войск. И не случайно однокурсниками Н.Ф. Ватутина окажутся перспективные молодые командиры, которые в будущем станут прославленными советскими полководцами, И.Ф. Конев, Ф.И. Толбухин, А.И. Антонов и ряд других [8; 54].
Понятно, что выделиться на таком фоне было совсем не простым делом. Но, как всегда сдержанный, скромный, абсолютно неброский внешне, Н.Ф. Ватутин обратил на себя внимание и преподавателей, и возглавлявшего в тот период Академию им. Фрунзе Б.М. Шапошникова. Они, дав отличную оценку успехам Н.Ф. Ватутина, особо отметили, что он «по всем вопросам имеет своё самостоятельное суждение» [8; 54].
Обучение на курсах было очень интенсивным, но по срокам довольно кратким. Окончив с отличием курсы, Николай Фёдорович возвращается в свою 28-ю горнострелковую дивизию, где ещё около трёх лет служит в должности начальника штаба.
В 1936 году на базе оперативного факультета Военной академии им. Фрунзе создаётся Академия Генерального штаба. «Создание этого высшего военно-учебного заведения было велением времени, пишет С.М. Штеменко, знаменитый советский генштабист, сам окончивший эту Академию. Красная Армия, во всех отношения вполне современная, не имела ещё в необходимом количестве кадров с высокой оперативно-стратегической подготовкой. Вплоть до 1936 года командный состав оперативного звена готовился на одногодичном факультете Академии имени М.В. Фрунзе (курсы при котором как раз и окончил Н.Ф. Ватутин И.Д., В.С.). До поры до времени это было хорошо. Но во второй половине тридцатых годов жизнь настоятельно потребовала наладить более массовую и глубокую подготовку руководящих кадров. К тому же надо было развивать теорию оперативного искусства, чем Академия имени М.В. Фрунзе из-за своего профиля в должных размерах заниматься не могла» [86; 5 6].
Любопытно, что, написавший в своих воспоминаниях данные строки, обосновывающие необходимость создания Академии Генштаба РККА, Сергей Матвеевич Штеменко первоначально идти учиться в эту самую Академию как раз не хотел, желая остаться на практической работе в войсках (к тому времени он уже окончил Академию моторизации и механизации РККА). Но командование рассудило иначе, направив его туда в приказном порядке [86; 4 5].
Примерно то же самое произошло и с Николаем Фёдоровичем Ватутиным. Только двумя годами ранее. В 1936 году его направили учиться во вновь открытую Академию Генштаба. При всей своей любви к учёбе Николай Фёдорович на сей раз возражал, не желая оставлять работу непосредственно в войсках. Однако приказы в армии не обсуждаются, а выполняются, и Н.Ф. Ватутин становится слушателем Академии Генштаба.
В Академии был собран весь цвет тогдашних теоретиков военного дела. Преподавателями в ней работали В.А. Медиков, Д.М. Карбышев, Н.Н. Шварц, А.И. Готовцев, Г.С. Иссерсон, А.В. Кирпичников, Н.А. Левицкий, Н.И. Трубецкой, Е.А. Шиловский, Ф.П. Шафалович, П.П. Ионов и ряд других [86; 6].