В 1949 году окончил металлургический факультет Уральского политехнического института. После окончания вуза работал в Институте металлургии УрО АН СССР.
В 1954 году защитил кандидатскую, а в 1966 году — докторскую диссертацию.
С 1968 по 1998 годы занимал должность директора института.
В 1970 году избран членом-корреспондентом АН СССР, а в 1981 — академиком.
С 1983 по 1988 годы занимал должность первого заместителя председателя Президиума УНЦ АН СССР.
С 1973 года являлся профессором кафедры химии Уральского государственного горного университета.Был главным редактором журнала «Расплавы» , членом редколлегии журнала «Металлы» , председателем Научного совета по физико-химическим основам металлургических процессов, заместителем председателя Научного совета по металлургии и металловедению.Сын — химик А. Н. Ватолин (род. 1956).