Родился в 1918 году в деревне Ермино (Серговский район Ворошиловградская область Украины). С апреля 1941 года в рядах Красной Армии, призван Серговским РВК. Окончил военную авиационную школу лётчиков.

С 7 мая 1942 года младший лейтенант М. И. Харламов на фронтах Великой Отечественной войны в должности командира звена 255-го ИАП. В составе Ударной авиагруппы Ставки ВГК, полк действовал в оперативном подчинении ВВС Волховского фронта. 5 июля 1942 года, в составе уже ОМАГ СВГК, был переброшен на Северный флот. В ноябре 1942 года старший лейтенант М. И. Харламов назначен командиром эскадрильи. Летал на ЛаГГ-3, Як-1 и "Аэрокобре". 10 октября 1943 года представлен к званию Героя Советского Союза, но не получил его.

12 октября 1943 года командир 1-й эскадрильи 255-го истребительного авиационного полка (5-я минно-торпедная авиационная дивизия, ВВС Северного Флота) капитан М. И. Харламов погиб в воздушном бою. Всего совершил 155 боевых вылетов, в 26 воздушных боях сбил лично 8 и в составе пары 1 самолёт противника, ещё 1 личная победа одержана предположительно (в последнем наградном листе указывается на 10 личных побед).

Награждён орденами: Красного Знамени (дважды 04.07.1943), Александра Невского (03.071943).