Харламов был воспитанником школы ЦСКА, попал в основную команду в 1967 году и всю карьеру провел в составе армейцев. Харламов одиннадцать раз становился чемпионом СССР, пять раз выиграл Кубок СССР, в составе сборной СССР стал восьмикратным чемпионом мира, семикратным чемпионом Европы, дважды выигрывал золото Олимпийских игр (1972, 1976) и один раз стал серебряным призером Олимпиады (1980).
В чемпионатах СССР Харламов провел 438 матчей и набрал 507 (293+214) очков. На Олимпийских играх и чемпионатах мира и Европы Харламов сыграл 123 матча, набрав в них 191 (89+102) очко. Харламов – участник суперсерий СССР – Канада в 1972-м и 1974 году. В 1976 году Харламов попал в автомобильную аварию, но несмотря на тяжелейшие травмы сумел вернуться на лед и возобновить карьеру на прежнем уровне. 27 августа 1981 года в возрасте 33 лет Харламов погиб в автокатастрофе.
В 2008 году ИИХФ включила Валерия Харламова в символическую сборную столетия. В сборной России и ЦСКА за Харламовым навечно закреплен 17-й номер.