В конце октября 1920 года Ватутин уже был в Полтаве. В дороге с ним произошел курьезный случай. На станции Красный Лиман его чуть не приняли за врангелевского шпиона. А дело было так. Выехав из Луганска на следовавшем с Южного фронта в Полтаву санитарном поезде, Ватутин решил «подтянуть» знания своих товарищей в арифметике. Бумаги не было, поэтому стены вагона заменили ему классную доску. Вооружившись мелком, он начал урок. На станции Красный Лиман, забитой литерными воинскими эшелонами, санитарный поезд загнали на запасной путь. Чтобы не сидеть в вагоне, Ватутин продолжил занятие с сослуживцами на свежем воздухе. Теперь доской стала служить наружная стена вагона. Исписанная вся цифрами, она и вызвала подозрение у одного из железнодорожников. Он принял таблицу умножения за секретные шифры, а того, кто все это написал, за врангелевского «шпиёна». Чересчур бдительный и придирчивый путеец тут же привел солдата из отряда охраны станции. В этот же момент, как назло, куда-то отлучился старший команды с документами.
— Какой же я, браток, тебе шпиён, когда я красноармеец 119-го батальона, еду с товарищами учиться на курсы красных командиров в Полтаву, — пытался доказать Ватутин, кто он есть на самом деле.
Но боец оставался непреклонен и задержал Ватутина до выяснения обстоятельств. И только после возвращения старшего команды подозрения с Николая были сняты. Позже он всегда с улыбкой вспоминал об этой страничке своей биографии.
Ватутин был зачислен на 29-е пехотные Полтавские советские курсы красных командиров, которые находились в самом центре Полтавы, в здании бывшего Петровского кадетского корпуса. Основанный в конце 30-х годов XIX века в честь победы русской армии над шведами в Полтавской битве корпус на протяжении многих лет готовил юношей к военной службе. Теперь по его величественным мраморным лестницам, паркетным полам вышагивали в вылинявших гимнастерках и стоптанных ботинках с обмотками будущие краскомы.
Не без волнения Николай переступил порог исторического здания, где буквально всё было пропитано армейским духом: бронзовая скульптура Петра I, диорама Полтавской битвы, боевые реликвии с полей сражений, бюсты выдающихся русских полководцев... Но были здесь и атрибуты нового времени: почетное Красное знамя ВЦИКа; огромная карта-схема боевых действий Красной армии на фронтах Гражданской войны. А прямо в вестибюле на стене красовался огромный плакат, на котором на фоне большого здания с колоннами был изображен молодой рабочий с молотком за поясом, положивший руку на плечо крестьянскому парню в лаптях. Чуть в стороне — группа убегающих юношей в форме юнкеров. В правом углу плаката и по центру крупными буквами было написано: «Раньше здесь обучались сынки буржуазии, — теперь идите вы рабочие и крестьяне на командные курсы».
Срок обучения на Полтавских командных курсах, как и на других аналогичных, согласно приказу наркома по военным делам № 104 от 28 января 1918 года, включал в себя семь месяцев, из которых четыре отводилось на подготовительный курс и три — на военный. Программа обучения была насыщенной и сложной. Далеко не всем вчерашним рабочим и крестьянам она была под силу. Однако Ватутин быстро втянулся в учебу, настойчиво и целеустремленно овладевал военным делом.
Весной 1921 года курсы были преобразованы в пехотную школу с трехгодичным сроком обучения и получили наименование 14-й Полтавской пехотной школы командного состава. В результате этой реорганизации более чем втрое был сокращен личный состав прежних курсов. Для продолжения учебы оставили лишь наиболее подготовленных и дисциплинированных курсантов, в том числе и Ватутина. К этому времени он уже окончательно укрепился в своем выборе стать кадровым военным.
Потекли напряженные курсантские будни: лекции, семинары, строевые занятия, физподготовка, полевые выходы, караулы... Главная задача школы состояла в том, чтобы подготовить общевойсковых командиров-единоначальников, хорошо знающих военное дело и умеющих научить этому делу подчиненных.
Ватутину повезло с учителями. Преподавательский корпус школы состоял из опытных, хорошо знающих свое дело специалистов. Например, руководителем тактики был бывший офицер царской армии, кавалер шести орденов, полученных за храбрость на фронтах Первой мировой, А. Я. Крузе. Все новое, полезное в тактике, приобретенное за время Первой мировой и Гражданской войн, он старался передать своим питомцам. Авторитетным командиром и наставником считался С. М. Скрабелинский, также в недавнем прошлом офицер царской армии. Большим уважением у курсантов, за редким исключением, пользовались другие преподаватели школы.