Его родители к актерской профессии не имели никакого отношения: мама - педагог, а отец - тренер. В детстве Денис учился игре на фортепиано и танцам.
У Дениса Харитонова есть брат, который старше его на год. Родители отдали их в школу вместе, когда Денису было 6 лет. Учились они в одном классе и сидели за одной партой. Младший всегда тяготел к точным наукам, а старший был типичным гуманитарием, поэтому он с удовольствием списывал у Дениса сложные задания по физике и математике, а тот знал, куда заглянуть во время сочинения по литературе. В результате они оба окончили школу с хорошими отметками.
После окончания школы Денис некоторое время работал моделью.
Денис Харитонов поступил во МХАТ только после двух лет, отданных физико-математическому факультету Педагогического института и юридическому факультету. Выбор пал на театральную школу-студию, когда встал вопрос о призыве в армию. Всю сласть актерства, как признается сам Денис, он понял практически в конце учебы.
В 2004 году он окончил Школу-студию МХАТ (курс Е. Каменьковича) и был принят в Театр Романа Виктюка.
В том же году Дениса пригласили на главную роль в сериал «Исцеление любовью», который долгое время держал высокие рейтинги и принес актеру известность.
Харитонов сейчас работает в театре Виктюка, а всем известно, какой это требовательный человек: по словам Дениса «все жилы вытягивает, шлифует каждый миллиметр роли».
По натуре Денис - романтик. «Я бы даже сказал романтик тире реалист. Где-то так. Эмоциональная сторона, мечты - это одно, а реалист внутри все время одергивает: это невозможно, это тоже невозможно, а вот то просто тебе не нужно…», - сказал актер в интервью.
В 2005 году Денис участвовал в показах коллекций модной одежды («Коллекция Ольги Комиссаровой : «Пудра» весна-лето 2006», «Арт Костюм-2005», After Party Ольги Роминой и др.).
Вместе с женой Нателлой Денис Харитонов воспитывает двух сыновей: Дмитрия (2001 г.р.) и Степана (2003 г.р.). Нателла не имеет отношения к кино: она окончила журфак МГУ, а потом факультет связей с общественностью и работает в Министерстве связи РФ.
Денис Харитонов любит экстремальный отдых, горные лыжи. Его хобби - игра на фортепьяно, стихи, которые он пишет для себя.
Денис мечтает спонсировать серьезные кинопроекты.