А.И. Харитонов родился 25 июля 1959 года в Киеве. В 1980 году закончил Киевский национальный университет театра, кино и телевидения имени И.К. Карпенко-Карого и тогда же дебютировал в кино ролью Овода в одноимённой картине, снискавшей ему популярность. За прошедшие годы сыграно свыше 30 ролей, среди которых главные роли в фильмах «Звезда и смерть Хоакина Мурьеты», «Человек-невидимка», «Тайна „Чёрных дроздов“», «Вольный ветер», «Жизнь Клима Самгина» и другие.
С 1984 по 1990 год — ведущий артист Малого театра СССР. Среди сыгранных ролей — Инсаров в «Накануне» И.С. Тургенева, Ипполит в «Федре» Ж. Расина, Жадов в «Доходном месте» А.Н. Островского, Джерри Райян в «Двое на качелях» У. Гибсона.
В 1991 по мотивам рассказов В.Я. Брюсова снял художественный фильм «Жажда страсти» с А.А. Вертинской, И.М. Костолевским и В.В. Раковым в главных ролях. Фильм удостоен специального приза фестиваля «Кинотавр» в конкурсе «Кино для избранных?» за 1991 год, призов «За лучшее изобразительное решение образа» и «За режиссёрский дебют» на фестивалях «Созвездие» (1992) и «Литература и кино» (1995).
Во второй половине 1990-х — режиссёр-постановщик ТВ-программ «Фабрика грёз» (ОРТ), «Фильмы нашей памяти» (ОРТ). Авторская программа «Вспышка» на телеканале «Культура». В 2007 году — ведущий программы «Внедрение» на телеканале «Звезда».
Работает как художник-график (автор иллюстраций к сборнику мистических новелл Татьяны Рассановой, 2003).
Сыграл главную роль в фильме «Рысак». Снялся в сериалах «Юнкера» по А.И. Куприну/ реж. И. Черницкий, «Молодой Волкодав»/ реж. О. Фомин, телеромане «Обручальное кольцо».
В настоящее время играет в антрепризах: «Заложники любви» (Н. Демчик/ реж. Г. Шапошников), «Не будите спящую собаку» (Дж. Пристли/ реж. О. Шведова).
Текущие премьеры: «Куколка» («Школа любви») (Г. Кейнин/ реж. В. Саркисов), «Шашни старого козла» (А. Крым, реж. О. Шведова).