Ватолин работал на Уралмашзаводе, а позже – в Институте металлургии УРО РАН. С 1973 г. Ватолин был профессором Уральского государственного горного университета.
Академик Ватолин известен как крупный специалист в области физической химии металлургических процессов. Он основал научную школу, которая изучал структуру и физико-химические свойства жидких металлических и оксидных систем. Эти вопросы очень важны для совершенствования технологических процессов в металлургии.
С 1950 по 1965 гг. Ватолиным были исследованы свойства жидких металлов и сплавов. Благодаря том, было обнаружено «соответствие между
и характером диаграмм состояния». Это открытие позволило в дальнейшем прогнозировать и рассчитывать свойства многих расплавов металлов.
В журнале «Расплавы», в статье, посвященной Н. А. Ватолину также отмечается, что благодаря его исследованиям получены экспериментальные данные по тому, как от температуры зависит электропроводность, структура и другие свойства многих жидкий металлов. Им же было освоено компьютерное моделирование для исследования жидких и аморфных металлов.
Результаты исследований, который провел Ватолин, позволили не только понять природу высокотемпературных расплавов металлов, но и стали основой для создания новых технологических процессов и материалов с заранее заданными свойствами. Под руководством Ватолина были внедрены и новые технологии комплексной переработки сырья и отходы черной и цветной металлургии. А также технологии производства многокомпонентных сплавов.
Многие из этих технологий впоследствии были внедрены на Екатеринбургском заводе ОЦМ. Там стали применяться новые способы очистки иридия от примесей и передела шлиховой платины. А на Нижне-Тагильском металлургическом комбинате и Ключевском заводе ферросплавов был освоен процесс получения известково-ванадиевого шлака и его переработки на ванадиевые ферросплавы.
Н. А. Ватолин – лауреат Государственной премии СССР и РФ, а также премии Правительства РФ и Демидовской премии.
