Сын А. И. Бартоломея и княжны Черкасской. Воспитывался сначала под надзором своей бабки, графини Девиер, затем в школе гвардейских подпрапорщиков, откуда в 1833 г. вышел в офицеры гвардейского егерского полка.
В 1850 году в чине капитана отправился на Кавказ. За отличие при Большой Чечне, где он был ранен, произведён в 1851 году в полковники.
В 1853 году был послан с дипломатическим поручением в ещё тогда независимую Сванетию, и благодаря его умелому образу действия она добровольно покорилась русскому правительству.Во время Восточной войны сначала командовал отрядом, назначенным для охранения Абхазской границы и берега Чёрного моря, затем был послан на несколько месяцев в Тегеран, после чего получил поручение усмирить курдские племена при р. Араске.
В 1856 году князь Барятинский назначил его начальником передового отряда левого крыла Кавказской армии.
В 1858 году он был произведён в генерал-майоры.
С 1860 года местом его служебной деятельности стал Тифлис, где он и умер в 1870 году. Бартоломей был одним из известнейших нумизматов не только русских, но и европейских. Страсть к собиранию монет развилась в нём ещё в юности, но первоначально коллекция его носила характер случайный и научного значения не имела. Под влиянием известного нумизмата Рейхеля Бартоломей решил специализироваться на какой-либо одной эпохе.
Он остановился на нумизматике бактрийской, арзакидской и сасанидской, то есть на девяти веках, от Александра Великого до магометанского завоевания Персии.Основательное изучение этой эпохи по классическим писателям и новейшим исследованиям, переселение на Кавказ и поездки в Персию дали сильнейший толчок его нумизматическим занятиям. Когда шла речь о возможности приобрести редкую монету, он не щадил ни времени, ни трудов, ни денег, вступал в переписку, сам ездил и, наконец, платил огромные цены. За одну монету Хозроя I Бартоломей не пожалел дать 1200 руб.
В результате получилась первая в мире коллекция сасанидских и арзахидских монет.Незадолго до смерти Бартоломей предпринял издание 500 важнейших сасанидских монет своей коллекции, но выхода в свет этого описания он не дождался. Оно было издано академией наук под редакцией академика Дорна и под заглавием: «Collection de monnaies Sassanides de feu le lieutenant general J. de Bartholomaei, representee d"apres les pieces les plus remarquables» (СПб., 1873, 2 изд., 1875). Уже одна эта часть коллекции дает целый ряд точных исторических дат и устанавливает хронологию таких событий, само существование которых еле намечено хронистами.Помимо нумизматики, Бартоломей имеет заслуги в области кавказской этнографии и филологии.
Он описал свою «Поездку в вольную Сванетию в 1853 г.» (Тифлис, 1855) и составил «Абхазский букварь» (Тифлис, 1866) и «Чеченский букварь» (Тифлис, 1866).
До того абхазцы и чеченцы своего алфавита не имели.
С 1856 года — член-корреспондент СПбАН по историко-филологическому отделению (разряд восточной словесности).Примечания Биографические словари датой смерти указывают 5 октября; Ежегодник русской армии — 20 ноября.