Н. Н. Харламов родился в семье священника. Учился во Владимирском духовном училище. В 1882 году окончил Владимирскую духовную семинарию.
В 1883 году Харламов был принят в Петербургскую Академию художеств. За программу «Ангел выводит апостола Петра из темницы» получил малую золотую медаль и звание классного художника II степени.
В 1891 году художник отбывал воинскую повинность в городе Владимире, но не прекращал заниматься живописью.
С 1892 года Харламов — директор Холуйской школы иконописания. На Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде выделялись работы его учеников. Созданный ими образ Христа был настолько удачен, что Харламовым заинтересовалась комиссия, ведающая внутренним убранством храма Воскресения Христова в Петербурге.
В 1896 году художник был приглашен участвовать в конкурсе на создание картонов для мозаик. С 1897 по 1900 годы Харламов создал для мозаик интерьера храма Воскресения Христова 42 картона, по которым были набраны иконы «Пантократор», 8 серафимов, 4 евангелиста, 4 изображения ангелов со страстями, «Евхаристия», «Спас Эммануил», «Спас Благое Молчание», «Богоматерь», «Иоанн Предтеча», 8 изображений сил небесных (четыре варианта), «Христос во славе», 8 изображений ангелов, «Святой Василий Великий», «Святой Иоанн Златоуст», текст молитвы перед причастием, «Святые Кирилл и Мефодий», «Святые Стефан Пермский и Исаакий Далматский», фриз из серафимов, изображения серафимов и ангелов.
В 1910 году Н. Н. Харламов был избран академиком. Его иконы имелись в православных храмах Вены, Варшавы.
Последние годы жизни художник провел в селе Тименки в 28 километрах от Холуя. Там же он был похоронен.
Тип: Мозаика
Описание: Композиция занимает всю сферическую поверхность большой апсиды. В центре ее помещена вписаннаая в сияющую огненными всплесками Мандорлу удлиненная фигура Христа, несомого серафимами. Красивый, темный, со следами страданий, лик его суров. Весь он неподвижен, живут только глаза. Фигура Христа окутана в нежно-бирюзовый плащ, из-под которого видны рукава нежно- красного хитона. По краям композиции расположены две уравновешивающие ее группы представителей небесного воинства. Благодаря тому, что мозаика располагается на изогнутой поверхности, между ней и пространством интерьера устанавливается совсем особое соотношение. Реальное пространство интерьера как бы вливается в углубление конхи. Изображенные фигуры вступают в контакт с этим пространством.
Сохранность: Удовлетворительная
Организация: Музей-памятник «Спас на Крови»
Тип: Мозаика
Описание: Широкий фриз с «Евхаристией», украшающий сильно вогнутую поверхность центральной апсиды, находится на небольшой высоте. Фигуры сознательно удлинены художником, чтобы снивелировать эффект при зрительном сокращении.
Сохранность: Удовлетворительная
Организация: Музей-памятник «Спас на Крови»
Тип: Мозаика
Описание: В плафоне центрального шатра, согласно древней иконографии, расположено изображение Пантократора, напоминающее византийские образцы. Образ, созданный Харламовым, монументален: четкие плавные линии, положенный не более, чем в двух оттенках цвет, стремление вернуться к известной схематичности, при которой основной психологический момент — глаза. Мозаика набрана кусочками смальты, которые четко видны даже на большой высоте.
Сохранность: Удовлетворительная
Организация: Музей-памятник «Спас на Крови»
Тип: Мозаика
Описание: В центре плафона юго-западной главы помещено погрудное изображение Иоанна Предтечи. Лик набран мальтой бежевых тонов, выразительность черт лица определяется черной линией, обрамляющей глаза, губы, нос.
Сохранность: Удовлетворительная
Организация: Музей-памятник «Спас на Крови»
Тип: Мозаика
Описание: Мозаика помещена в плафоне северо-западной главы. Богоматерь здесь представляет собой женский лик необыкновенной красоты, воспринимаемой скорее как романтический образ, а не каноническое изображение святой. Лицо овальное с округлыми щеками, нос слегка удлиненный с горбинкой. Волос не видно, так как их закрывает голубовато-бирюзовое покрывало, поверх него темно- фиолетовая, по краю расшитая золотом накидка, покрывающая голову и плечи. На накидке, в области головы и плеч три восьмиконечные звезды. Глаза Богоматери светло-коричневого, орехового цвета, но оттененные бирюзовыми и фиолетовыми тонами, издали воспринимаются как фиалковые.
Сохранность: Удовлетворительная
Организация: Музей-памятник «Спас на Крови»