Николай Семенович был призван в ряды вооруженных сил СССР в феврале 1943 года, когда ему исполнилось 18 лет. Он был направлен в Бердичевское военно-пехотное училище в Тамбовской области. Вспоминая учебу в военно-пехотном училище, он отмечал: «Условия обучения в училище были очень строгими, даже суровыми. Работало оно по ускоренной программе: за полгода необходимо было сделать очередной выпуск среднего комсостава, потери которого на фронте были очень велики. Больше всего внимания уделялось тому, что потребуется на войне: тактике наступательного и оборонительного боя, стрельбе из всех видов стрелкового вооружения из различных положений, его разборке и сборке, рукопашному бою. Нередко проводились марш-броски по пересеченной местности и бездорожью.Выходили в полном боевом снаряжении: с противогазом, вещмешком и подсумком, со станковым пулеметом на плечах.Так нас, курсантов, готовили к предстоящим жестоким боям с врагом». В училище Н.С. Харламов получил военную специальность пулеметчика. В июне 1943 года в срочном порядке в составе 224-го стрелкового полка он был отправлен на фронт, на Курскую дугу. Был командиром пулеметного расчета. Вот как он вспоминал эту битву: «В июне 1943 года пришел приказ — всё училище на фронт. Началась наша военная жизнь. Положение на фронте было очень тяжелое, постоянные бои. Станковый пулемет таскали на катках, приходилось и на плечах, а это 32 килограмма. Нам, необстрелянным курсантам, было очень тяжело, казалось, что мы попали в ад. В июле 1943 года наши войска пошли в наступление. Вооружение пополнилось, появились «Катюши» — боевые машины реактивной артиллерии, пусковые станки М-30 для запуска 300-мм реактивного снаряда, их еще называли «Андрюшами». Эти боевые машины сыграли большую роль в Курской битве. Сжигала всё на своём пути. А когда в бой вступал «Андрюша», немцы кричали:«Рус, что заборами бросаешься?», потому что этот реактивный миномет отправлял снаряды вместе с ящиками, в которых они были». Во время Курской битвы, в сражении за реку Сож, он получил тяжелое пулевое ранение в правое бедро. И эта пуля осталась с ним навсегда. После госпиталя он был направлен в Рязанское военно-пехотное училище. В боевых действиях больше участия не принимал. 30 декабря 1945 года на основании Указа Президиума Верховного Совета СССР Н.С. Харламов был уволен в запас. Награжден медалью «За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.».