Kharlamova begynte å markere seg internasjonalt i 2004 og 2005, da hun fikk sølv i to år på rad. Hun kom på fjerdeplass på 3000 meter hinder ved EM i friidrett 2006 i Göteborg, knappe to sekunder bak polske Wioletta Frankiewicz. Hun testet så positivt på metyltestosteron, og ble utestengt fra 2.11.2006 til 1.11.2008. Hun kom imidlertid tilbake, og fikk bronse ved EM i friidrett 2010.