Chałatnikow urodził się 17 października 1919 roku na terenie dzisiejszej Ukrainy. Już jako student został zauważony przez słynnego rosyjskiego fizyka Lwa Landaua, który zaproponował mu, by został jego doktorantem. Karierę naukową Chałatnikow rozpoczął po II wojnie światowej zajmując się fizyką teoretyczną.
Należał do grupy naukowców, która pod kierownictwem Landaua prowadziła prace obliczeniowe dotyczące radzieckiej bomby atomowej, a później wodorowej. ZSRR przeprowadził pierwszą próbę z bombą atomową 29 sierpnia 1949 roku.
Chałatnikow zajmował się dziedziną ogólnej teorii względności (cenione są zwłaszcza jego wspólne ustalenia z Jewgienijem Lifszycem na ten temat), razem z Landauem opracował teorię nadpłynności. Jego badania dotyczyły także kwantowej teorii pola i mechaniki kwantowej.
Kierował Instytutem Fizyki Teoretycznej im. Landaua, zasiadał w Rosyjskiej Akademii Nauk, był członkiem Towarzystwa Królewskiego w Londynie. Odznaczony został Nagrodą Humboldta.
