Родился 21 января 1960 г. в г. Алмалык (Ташкентская область Узбекской ССР, ныне - Республика Узбекистан) в семье Вадима Мкртичевича Харатьяна (род. 1935) и Светланы Олеговны Тизенко (род. 1935). С 1963 г. проживал с родителями в Красногорске (Московская обл.). После их развода остался с матерью.
В 1982 г. Дмитрий Харатьян окончил Высшее театральное училище им. М. С. Щепкина (ныне - Высшее театральное училище, институт, им. М. С. Щепкина при Государственном академическом Малом театре России). Выпускник курса педагогов Михаила Царева и Риммы Солнцевой. После вуза проходил службу во внутренних войсках МВД СССР (в военизированной пожарной охране Москвы).
Дмитрий Харатьян широко известен в качестве киноактера. Дебютировал в кино, будучи старшеклассником. Первая же роль - девятиклассник Игорь Грушко в драме Владимира Меньшова "Розыгрыш" (1976) - принесла ему зрительский успех. Среди наиболее известных киноработ: молодой милиционер Владимир Патрикеев в приключенческом фильме "Зеленый фургон" по повести Александра Козачинского (1983, режиссер Александр Павловский), Дмитрий Пузырев в комедии "Частный детектив, или Операция "Кооперация" (1989, Леонид Гайдай), Федор Соколов в комедии "На Дерибасовской хорошая погода, или На Брайтон-Бич опять идут дожди" (1992, Леонид Гайдай), следователь Александр Турецкий в детективе "Черный квадрат" по роману Фридриха Незнанского "Ярмарка в Сокольниках" (1992, Юрий Мороз). Широкий зрительский успех получил образ Алексея Корсака, воплощенный актером в историко-приключенческих картинах Светланы Дружининой "Гардемарины, вперед!" (1987), "Виват, гардемарины!" (1991) и "Гардемарины III" (1992). Популярной стала песня "Не вешать нос, гардемарины!" в исполнении Харатьяна. Последняя роль к настоящему времени - повзрослевший Владимир Патрикеев в телесериале "Зеленый фургон. Совсем другая история" (2019, Сергей Крутин). В общей сложности Дмитрий Харатьян снялся в более чем 70 фильмах и сериалах.
Играл в театральных антрепризах "Люди и мыши" по повести Джона Стейнбека "О мышах и людях", "Халам-бунду, или Заложники любви" по пьесе Юрия Полякова, "Ханума" по произведению Авксентия Цагарели. Участвовал в мюзикле "Любовь и шпионаж" по мотивам пьесы Елены Греминой "Глаза дня".
Дмитрий Харатьян исполняет песни, аккомпанирует себе на гитаре. Выпустил музыкальные альбомы "Склонность к дождю" и "Здравствуй, если ты далеко…".
Член Союза кинематографистов РФ и Российской академии кинематографических искусств.
Входит в состав Общественной палаты городского округа Красногорск Московской области (член комиссии по науке и образованию).
Соучредитель центра творческого развития и патриотического воспитания "Школа гардемаринов" (г. Красногорск), благотворительного фонда "Под флагом добра", альянса кинематографистов "Русские люди", ООО "Диафильм".
В 2014 г. Дмитрий Харатьян являлся доверенным лицом кандидата на пост главы Республики Коми Вячеслава Гайзера.
Народный артист РФ (2007).
Награжден медалью ордена "За заслуги перед Отечеством" II степени (2021).
В 1990 и 1991 гг. был признан лучшим актером года по опросу журнала "Советский экран" за роли в фильмах "Частный детектив, или Операция "Кооперация" и "Виват, гардемарины!".
Женат вторым браком. Супруга - актриса Марина Майко. Сын - Иван (род. 1998, студент режиссерского факультета Всероссийского государственного института кинематографии им. С. А. Герасимова). Первой женой была Марина Буримова. От брака с ней - дочь Александра (род. 1984).