Дмитрий Харитонов родился в 1970 году, игре на кларнете учился в районной музыкальной школе (класс Сергея Суслова), в 1988-м окончил музыкальную школу-десятилетку при Ленинградской консерватории, в 1994-м – Санкт-Петербургскую консерваторию (класс Павла Суханова). Лауреат II Всероссийского конкурса исполнителей на деревянных духовых инструментах (Ленинград, 1987). В 1990–1994 – артист симфонического оркестра Академической капеллы Санкт-Петербурга, в 1994–1996 – оркестра Санкт-Петербургского театра оперы и балета имени Мусоргского (Михайловского), с 1996-го – Симфонического оркестра Мариинского театра (солист-регулятор группы кларнетов). С 2005 года также играет на саксофоне.
В оркестре исполняет партии всех разновидностей кларнетов и саксофонов, также выступает в камерных ансамблях и как солист. Один из основателей ансамбля «Мариинский кларнет клуб», в составе которого участвовал в записи двух дисков (Bozza Nova и 5&1).