Фамилия Харлампус — редкий случай, когда русская по форме фамилия восходит к каноническому мужскому имени, которое в народе почти не использовалось. В основе лежит крестильное имя Харлампий (в просторечии Харлам), греческого происхождения, означающее «сияющий радостью». Но в фамилии закрепилась не народная, а книжная, полная форма имени — Харлампус, с латинским окончанием -ус, характерным для церковной записи.

Сама фамилия образована по продуктивной модели: к основе Харлампус- прибавлен русский патронимический суффикс -ов, указывающий на принадлежность («чей?» — Харлампусов). Однако в процессе бытования конечный -ов мог отпасть или не прибавляться вовсе, и фамилия застыла в форме родительного падежа от греко-латинского имени — Харлампус, то есть буквально «(сын) Харлампуса». Такая модель встречается у фамилий, образованных от редких или иноязычных имён без дополнительного суффикса (ср. Амплеус, Магнус).

Географически фамилия тяготеет к южнорусским и украинским областям, где в XIX веке фиксировались носители имени Харлампий и его производных. Встречается также у потомков духовенства и мещан, поскольку имя Харлампий почиталось в православии (святой мученик Харлампий), но в крестьянской среде было редкостью из-за сложности произношения. Поэтому предок-основатель фамилии мог быть либо выходцем из церковной среды (семинаристом, священником), либо человеком, получившим имя по святцам в семье, где ценили «учёные» имена.

С точки зрения словообразования фамилия уникальна: она не дала типичных вариантов вроде Харламов или Харлампов (хотя такие существуют). Форма Харлампус — это застывшая латинизированная основа, которую не «обрусели» суффиксом. В современных справочниках (например, у Б. Унбегауна) подобные фамилии описываются как «окаменевшие» патронимы от редких календарных имён. Носителей фамилии Харлампус в России единицы, что делает её не просто редкой, а почти исчезнувшей — живым свидетельством того, как книжное имя, не прижившись в быту, оставило след только в фамилии.