Родился 1 января 1920 года в селе Пусто-Ярославль (Собинский район Владимирской области). После окончания 7 классов средней школы в 1935 году приехал в Москву, работал штукатуром на ТЭЦ № 11. Начальные лётные навыки получил в эроклубе. С 1 декабря 1937 года в рядах Красной Армии, призван Пролетарским РВК (города Москвы). В 1940 году окончил Борисоглебское военное авиационное училище лётчиков.

С 22 июня 1941 года младший лейтенант Н. В. Харитонов в действующей армии: в должности пилота 162-го ИАП (43-я ИАД, Западный фронт), летал на И-16. С 2 июля по 15 августа 1941 года - слушатель Курсов командиров звеньев при филиале Академии имени Жуковского. Затем воевал в 236-м ИАП (43-я САД, Западный фронт), летая на Як-1. 9 сентября 1941 года направлен командиром звена в 521-й ИАП (43-я САД, Калининский фронт). 5 ноября 1941 года был тяжело ранен в воздушном бою (в руку и ногу), до 20 июля 1942 года находился на излечении в Казани. С сентября 1942 года воевал в составе 520-го ИАП (8 февраля 1943 года преобразован в 56-й Гвардейский ИАП). 10 сентября 1942 года был легко ранен под Сталинградом (в ногу и голову). Летал на Як-1 и Як-3.

К февралю 1943 года заместитель командира эскадрильи 520-го истребительного авиационного полка (283-я истребительная авиационная дивизия, 16-я Воздушная армия, Центральный фронт) старший лейтенант Н. В. Харитонов совершил 197 боевых вылетов, в воздушных боях сбил 7 самолётов противника лично и 7 в составе группы. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 1 мая 1943 года удостоен звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали "Золотая Звезда" (№ 1021).

Свой последний бой командир эскадрильи 56-го Гвардейского истребительного авиационного полка (283-я истребительная авиационная дивизия, 13-й истребительный авиационный корпус, 16-я Воздушная армия, 1-й Белорусский фронт) Гвардии капитан Н. В. Харитонов провёл 14 апреля 1945 года, прикрывая переправу наших войск через Одер: сбил 3 самолёта противника, но и сам был подбит и ранен (в правую ногу, лицо и руки). Лётчик выпрыгнул из горящей машины и попал в плен. Вместе с группой других пленных советских солдат был отправлен в немецкий тыл по железной догоге. 30 апреля 1945 года танкисты 2-го Белорусского фронта, прорвав оборону противника, захватили железнодорожную станцию и на одном из запасных путей нашли эшелон с пленными. 5 мая 1945 года Н. В. Харитонов вернулся в свой полк, но в боевых действиях больше не участвовал.

Всего за годы войны совершил 252 боевых вылета, провёл 79 воздушных боёв, сбил 14 самолётов противника лично и 10 в составе группы. Сражался на Западном, Сталинградском, Центральном и Белорусском фронтах. Воевал в небе Минска и Вязьмы, Сталинграда и Курска, Орла и Белгорода, Варшавы и Берлина.

После войны продолжал служить в ВВС, летал на реактивных самолётах. Был командиром эскадрильи, помощником командира полка, заместителем командира полка по лётной подготовке 56-го Гвардейского ИАП. В 1955 году окончил Военно-Воздушную академию и по сентябрь 1956 года был заместителем начальника штаба 283-й ИАД (34-я Воздушная армия, Закавказский Военный округ). С сентября 1956 года - ответственный дежурный по командному пункту 29-й ИАД (на острове Сахалин). С августа 1958 года - заместитель начальника штаба, начальник командного пункта 29-й ИАД (1-я Отдельная Дальневосточная армия). С 11 августа 1960 года Гвардии полковник Н. В. Харитонов - в запасе. Жил в Москве. Умер 11 сентября 1988 года, похоронен на Кунцевском кладбище.

Награждён орденами: Ленина (01.05.1943), Красного Знамени (23.10.1942, 28.05.1943), Александра Невского (15.06.1945), Отечественной войны 1-й степени (16.01.1943, 11.03.1985), Красной Звезды (30.04.1954); медалями, в том числе "За боевые заслуги" (24.06.1948).