С 2009 года Харитонов также проводит бои по правилам профессионального кикбоксинга, участвуя в турнирах K-1 и Ultimate Glory Series.
Сергей Харитонов родился 18 августа 1980 года в посёлке Плесецк Архангельской области в спортивной семье: мама Сергея была тренером по волейболу, а его отец в свое время занимался боксом, коньками и футболом. Под влиянием родителей, Сергей так же увлекся спортом. В начальной школе он занялся боксом, затем кикбоксингом и борьбой. Основные занятия Сергея армейским рукопашным боем до 1997 года проходили в близлежащем военном городке Мирный. За это время Сергей неоднократно становился чемпионом России и победителем международных турниров среди юношей. В 1997 году Харитонов поступил в Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище. Параллельно с учёбой много выступал на различных турнирах по боксу, рукопашному бою, кикбоксингу, самбо.
Пять лет был бессменным капитаном сборной ВДВ по рукопашному бою. В 2002 году, после окончания училища, принял приглашение от Владимира Погодина присоединиться к профессиональной команде по смешанным боям Russian Top Team (RTT), получив возможность тренироваться с Федором и Александром Емельяненко, что не могло не повлиять на рост Сергея в боевом плане.
Летом 2007 года после развала Russian Top Team Сергей начал выступать под знамёнами голландского клуба Golden Glory. Где он тренируется вместе со своим соотечественником Русланом Караевым, Сэмми Шилтом, Алистером Оверимом и другими известными спортсменами
В октября Харитонов провёл поединок на «Pride 30» против бразильца Фабрисиу Вердума. Схватка обещала стать противостоянием стилей: Сергей зарекомендовал себя как мощный «ударник», в то время как Вердум мастерски владел бразильским джиу-джитсу. В первом раунде преимущество было на стороне бразильца, использовавшего захваты за ногу для перевода схватки в партер, однако в дальнейшем у Харитонова стало получаться эффективно защищаться; при этом он избегал попыток Вердума навязать борьбу внизу: Сергей оставался в стойке, вынуждая рефери раз за разом поднимать Фабрисиу из партера. И хотя в третьем раунде Харитонов, нанёсший противнику рассечение под правым глазом, был близок к досрочному завершению, исход поединка решили судьи, отдавшие Сергею победу раздельным решением.
В феврале 2006 года Харитонов принял участие в «Pride 31» боем против Алистара Оверима, представлявшего Нидерланды. Оверим с первых же секунд сумел перевести схватку в партер и, заняв сайд-контрол, начал наносить удары локтями, коленями и предплечьем. Позже ему удалось занять маунт и продолжить избиение из этой позиции. Харитонов, у которого из-за ударов открылось рассечение, попытался выйти из опасного положения, но Оверим, вновь перейдя в сайд-контрол, не прекращал атак, что послужило причиной остановки боя на шестой минуте. После удара гонга выяснилось, что Сергей в начале схватки повредил правое плечо, и на послематчевой пресс-конференции его тренер сообщил, что Харитонова увезли в больницу для обследования.
Восстановление заняло полгода, и в следующий раз Сергей вышел на ринг в сентябре, чтобы встретиться с бывшим одноклубником по RTT Александром Емельяненко в резервном бою финальной части Гран-при Pride в открытом весе, из борьбы за который Емельяненко выбыл в первом круге, уступив Джошу Барнетту. Так как оба противника, как правило, завершали свои поединки досрочно, то в этом противостоянии также ожидалась скорая развязка. Бой начался с обменов ударами, в котором точнее был Емельяненко, однако Харитонов сумел точным попаданием отправить соперника в нокдаун и занять маунт. Тем не менее Александр сумел выйти из опасного положения и, продолжив бой в стойке, уже в свою очередь потряс Сергея двумя ударами. Харитонов попытался захватить ноги Емельяненко, но последний пресёк эти попытки, продолжая наносить удары. Рефери остановил поединок после того, как боец Red Devil Fighting Team принялся безответно атаковать соперника коленями, заняв позицию сбоку.
В феврале 2007 года состоялся второй турнир Pride на территории США: прошедший в Лас-Вегасе «Pride 33». Среди прочих поединков в андеркарте ожидался бой Харитонов—Айвел, однако Атлетическая комиссия штата Невада отказала последнему в выдаче лицензии. К слову, появление Сергея тоже было под вопросом: из-за его статуса действующего военнослужащего у него возникли трудности с получением визы. Однако в итоге он принял участие в турнире, а заменой Айвелу выступил американец Майк Руссоу, который на тот момент был малоизвестным бойцом, имевшим в послужном списке три победы и один бой, объявленный не имеющим результата. Получивший статус фаворита, Харитонов поначалу испытал трудности: Руссоу удалось несколько раз попасть с правой руки, а затем, захватив ногу во время выполнения Сергеем лоукика, перевести бой в партер. Харитонов сумел подняться в стойку, однако американец вновь опрокинул его на настил и занял доминирующее положение. Тем не менее Сергею удалось захватить руку соперника и выполнить «рычаг локтя» из положения снизу. Постучав в знак сдачи, Руссоу высказал недовольство тем, что Харитонов удерживал его за перчатку, не давая высвободить руку из захвата. Следует отметить, что на январь 2012 года среди 15 проведённых боёв это поражение остаётся единственным у американца.
После продажи Pride компании Zuffa в 2007 году бывшие бойцы японского промоушена были вынуждены искать новое место работы. Часть из них подписала контракты с американской UFC, а некоторые остались в Японии, начав сотрудничество с компанией Fighting and Entertainment Group (FEG), которая занималась организацией турниров под брендами Dream, Hero's, K-1 Dynamite!!. В числе последних оказался и Сергей Харитонов. В своём дебютном поединке под эгидой нового промоутера, прошедшем в рамках «супербоя» на финальной части Гран-при Hero's в среднем весе, он во второй раз встретился с Алистаром Оверимом и взял у него реванш за предыдущее поражение, нокаутировав оппонента в первом раунде. Незадолго до этой схватки Сергей сменил команду: расставшись с RTT, он пополнил ряды базирующегося в Нидерландах клуба Golden Glory, в котором состояли многие известные бойцы, например Сэмми Схилт, Халиб Арраб, Штефан Леко и тот же Оверим.
Следующие выступления Харитонов провёл на турнирах Dream. Первым из них стал бой в сентябре 2008 года в андеркате «DREAM 6». Изначально его соперником должен был стать непобеждённый на тот момент в боях по смешанным правилам самоанец Сиала-Моу Силига по прозвищу «Могучий Мо», более известный по выступлениям в K-1. Однако полученная травма вынудила его отказаться от боя, а организаторов — срочно искать замену. Ею стал малоизвестный американский боец Джимми Амбриц. Бой начался с атак Харитонова, отправившего соперника в нокдаун, от которого тот, впрочем, быстро оправился и, захватив Сергея за ноги, попытался провести бросок. Харитонов схватился за канаты, за что был наказан жёлтой карточкой. После возобновления поединка на Амбрица обрушилась серия ударов, и он вновь оказался на настиле. Сергей принялся добивать соперника и вынудил его сдаться.
Вторым выступлением Харитонова в Dream стал бой, который он провёл 5 апреля 2009 года в рамках основных карда «DREAM 8». Его соперником был объявлен Марк Хант, но вновь из-за травмы оппонент был заменён: его место занял Джефф Монсон. Двукратный чемпион ADCC, Монсон ожидаемо попытался перевести бой в партер с первых секунд. Ему удалось захватить ногу Харитонова и, заняв доминирующее положение, в конце концов провести удушающий приём «север-юг» на второй минуте первого раунда.
После поражения от Монсона Харитонов не выступал в MMA в течение полутора лет. И лишь в конце 2010 года, через несколько дней после поражения нокаутом на финальном турнире К-1 от индийца Джайдипа, Харитонов принял предложение об участии в новогоднем турнире «Dynamite!! 2010» боем против Тацуи Мидзуно. Первоначально японец должен был выступать против Жерома Ле Банне, однако в дальнейшем французу предложили в качестве соперника олимпийского чемпиона по дзюдо Сатоси Исии. Харитонов начал бой агрессивно, сумел оттеснить противника в угол и поразить правым прямым. Потрясённый Мидзуно попытался разорвать дистанцию, но Сергей провёл удары коленом в голову и последующую «двойку», одержав победу нокаутом на четвёртой минуте первого раунда.
Летом 2010 года Харитонов подписал контракт с американским промоушеном Strikeforce. В конце 2010 года президент Strikeforce Скотт Кокер сообщил, что восемь сильнейших бойцов тяжёлого веса, имеющих контракт со Strikeforce, — Алистар Оверим, Фёдор Емельяненко, Фабрисиу Вердум, Джош Барнетт, Сергей Харитонов, Антониу Силва, Андрей Орловский и Бретт Роджерс — проведут бои друг с другом в следующем году. В январе 2011 года был анонсирован турнир-восьмёрка — Гран-при Strikeforce в тяжёлом весе. Соперником Харитонова в четвертьфинале, назначенном на 12 февраля, стал Андрей Орловский.
До поединка предпочтения как букмекеров, так и обозревателей были на стороне Орловского. Показанный в прямом эфире телеканала Россия-2 бой начался с обоюдного обмена ударами, причём Орловский действовал первым номером, в то время как Харитонов ограничивался одиночными ударами и работой в клинче. В конце концов Сергею удалось оттеснить Андрея к сетке и нанести серию точных ударов, завершив её правым боковым, отправившим Орловского на настил ринга. Харитонов принялся добивать упавшего противника и сумел нокаутировать его левым хуком. После этой победы Харитонов получил ярлык «тёмной лошадки» Гран-при.
Первоначально полуфинальные схватки планировалось провести в августе, однако затем они были назначены на октябрь. Соперником Харитонова стал Джош Барнетт, одержавший победу над Бреттом Роджерсом в июне. Бой начался с обоюдного обмена ударами, но вскоре американцу удалось опрокинуть Сергея на настил и занять доминирующее положение, пользуясь которым он принялся наносить удары сверху. Харитонов попытался уйти из проигрышной позиции, однако Барнетту удалось взять удачный захват и провести вариант исполнения руками удушающего приёма «треугольник», заставив противника сдаться за 32 секунды до конца первого раунда.
В 2009 году Харитонов дебютировал в профессиональном кикбоксинге на финале Гран-при К-1, прошедшем 5 декабря в Иокогаме. При этом он согласился на выступление за неделю, заменив травмированного бойца из Германии марроканского происхождения Халида Арраба, который должен был встретиться в резервном бою с румыном Даниэлем Гитой. Противостояние обещало быть интересным: для Сергея это был первый опыт выступления в профессиональном кикбоксинге, тем не менее он имел опыт выступлений по боксу и MMA и получил известность благодаря нокаутирующим ударам руками; его противник же, напротив, отдавал предпочтение атакам ногами. Такое отличие в стиле сразу же сказалось на ходе поединка: в течение двух раундов румынский боец атаковал ноги соперника лоукиками, иногда добавляя джебы и удары коленями; Сергей, в свою очередь, сделал ставку на удары руками и удары ногами не использовал. Несмотря на то, что Харитонову несколько раз удалось нанести серии точных ударов, он не смог завершить бой досрочно, а недостаток опыта выступлений по правилам кикбоксинга — в первую очередь техники защиты от лоукиков — привёл к тому, что удары Гиты стали наносить всё больше урона, и в начале третьего раунда Харитонов после очередного удара по ногам не смог подняться и продолжить бой, а также не смог самостоятельно покинуть ринг.
Следующий поединок Сергей провёл в октябре 2010 года против японца Такуми Сато на этапе Гран-при K-1, проходившем в Сеуле, в рамках «супербоя» и без видимых проблем на исходе третьей минуты первого раунда нокаутировал соперника. Но уже в декабре на токийском финале в свою очередь был нокаутирован индийцем Сингхом Джайдипом.
В мае 2011 года Харитонов наконец встретился «Могучим Мо»: на проходившем в Москве этапе Ultimate Glory Series. Бой, в котором были приняты правила K-1, прошёл в обоюдных атаках и закончился победой Сергея, сумевшего точным апперкотом отправить ветерана турниров K-1 в нокаут.
Через год, 23 марта 2012, также в Москве Сергей провёл очередной бой по эгидой Ultimate Glory Series. Его соперником стал американец Марк Миллер по прозвищу «Бойцовская акула» — обладатель титула «Нокаут года 2011», в который он отправил противника на девятой секунде боя. Миллер, который, будучи на 20 килограммов легче Харитонова, тем не менее обещал за полминуты нокаутировать Сергея, начал бой с активных атак, однако Харитонов сумел нейтрализовать удары оппонента и, воспользовавшись ошибками американца, в итоге оттеснить его в угол и отправить на настил ринга правым хуком, заработав таким образом победу нокаутом в первом раунде.
В октябре 2003 года Харитонов в составе команды Таджикистана принял участие в боксёрских соревнованиях в категории свыше 91 кг в рамках V Центрально-азиатских игр (англ. ), проходивших в Душанбе. Одержав в полуфинале победу над Шерзодом Тургуновым из Киргизии, он уступил в финальной схватке Рустаму Саидову из Узбекистана. В январе 2004 года также в составе таджикской команды Харитонов участвовал в 22 Чемпионате Азии по боксу (англ. ), проходившем в Пуэрто-Принсесе, и вновь уступил в финале Саидову.
Позже Сергей участвовал в российских боксёрских соревнованиях. В частности, на чемпионате России по боксу 2007 года, проходившем в Якутске, он, одержав в категории свыше 91 кг две победы, уступил во втором раунде четвертьфинального поединка за явным преимуществом по очкам будущему вице-чемпиону Исламу Тимурзиеву.
В 2011 году Харитонов подписал контракт с командой «Baku Fires» из Баку для участия в первом турнире Всемирной серии бокса (англ. ). Следует отметить, что согласно правилам Международной ассоциации любительского бокса (AIBA) спортсмен, выступивший в профессиональном поединке, лишается права участвовать в любительских соревнованиях под эгидой AIBA, в том числе и в Олимпийских Играх. Всемирная серия бокса — командный турнир, организованный дочерней компанией AIBA, в котором спортсменам выплачиваются гонорары, правила приближены к профессиональным (три судьи, оценивающие по 10-балльной шкале; отсутствие шлемов и маек) и при этом боксёры не лишаются права выступать на Олимпиадах.
19 марта 2011 года Сергей в рамках командной встречи «Baku Fires»—«Beijing Dragons» провёл бой против Аусона Йекени. Поединок, прошедший в категории свыше 91 кг, завершился быстро: Харитонов уже в самом начале обрушил на соперника серию ударов и отправил его в нокдаун, после чего продолжил натиск и вынудил секундантов оппонента выбросить полотенце в знак сдачи. 15 апреля он вышел на ринг во второй раз, встретившись с представлявшим команду «Paris United» хорватом Филипом Хрговичем, которому Харитонов уступил раздельным решением по итогам пяти раундов (49—46, 47—48, 49—46).
Сергей привык вести бои в стойке. Благодаря своему огромному боксерскому опыту у него это хорошо получается, а вот в борцовской технике, пожалуй, есть большие пробелы, которые его губят. Ведь мало кто из мировых бойцов смешанного стиля может противостоять Сергею в стойке, а большинство побед над ним были одержаны с помощью болевых приемов.
Сергей женат и воспитывает сына Александра.
Служил в 106-ой гвардейской воздушно-десантной дивизии в звании гвардии капитана.