Родился в Ярославской губернии. После окончания сельской школы двенадцатилетним ребенком приехал в Петербург. Некое время жил в Петербурге, работал в писчебумажном магазине и в мастерской по изготовлению вывесок. Около 1895 уехал на Валаам, стал послушником в монастыре, два года писал иконы.

Возвратился в Петербург, посещал Рисовальную школу Общества Поощрения Художеств и личную мастерскую Л. Дмитриева-Кавказского. В 1901 поступил вольнослушателем в Петербургскую Академии Художеств. С 1902 обучался в мастерской И. Е. Репина.

В 1909 году Н. Харитонову за картину «Икар» было присвоено звание художника. Он работал в Петербурге, писал портреты и жанровые сцены, пейзажи Российского Севера и Кавказа. Участвовал в вешних выставках в залах Академии художеств и выставке Приятельства Передвижных Художественных выставок (1916).

Харитонов получил премии конкурса им. А. Куинджи за картины «Няня» и «Дама в чёрном», премию Общества Поощрения Художеств по жанровой живописи и юбилейную премию им. принцессы Евгении Ольденбургской.

В 1912 путешествовал по Европе, работал в Париже, занимался в Мюнхенской академии художеств.

В 1919 Харитонов эмигрировал в Царство Сербов, Хорватов и Словенцев, с 1923 жил в Нью-Йорке, принял южноамериканское гражданство. Работал как портретист.

Работы Харитонова представлены в Муниципальном Российском музее, Муниципальном центральном театральном музее им. А. Бахрушина, музеях Ярославля, Днепропетровска и др.