Фамилия Барталомей — один из тех редких случаев, когда мы имеем дело не с производной формой, а с полным, почти неизменённым личным именем, перешедшим в фамилию. В основе лежит каноническое христианское имя Варфоломей (апостол из двенадцати), которое в западноевропейской, особенно польской и украинской, традиции приобрело форму «Бартоломей» или «Барталомей». Переход «в» в «б» — характерная черта западнославянской и южнославянской фонетики, где в начале слова перед гласной звук «в» часто отвердевает или заменяется на «б». Таким образом, фамилия Барталомей — это не что иное, как полная форма имени, которая закрепилась за родом без добавления типичных русских суффиксов (-ов, -ин).

Имя Варфоломей (от арамейского «бар-Толомай» — «сын Толомая», «сын вспаханной земли») в своё время было очень популярно в католических и униатских землях Речи Посполитой. Отсюда и география фамилии: её корни следует искать на западе современной Украины, в Беларуси, а также в Польше и Литве. На русской почве такая форма — редкость; носители фамилии Барталомей в России — это, скорее всего, потомки выходцев из этих регионов, переселившихся в ходе миграций XIX–XX веков.

Словообразовательная модель здесь проста и необычна: фамилия «застыла» в именительном падеже единственного числа. В отличие от большинства русских фамилий, которые отвечают на вопрос «чей?» (Бартоломеев — сын Бартоломея), эта фамилия отвечает на вопрос «кто?» — сам Барталомей. Такое явление типично для украинской и белорусской ономастики, где фамилии без суффиксов (Коваль, Гнат, Бортник) встречаются гораздо чаще, чем в великорусской традиции.

Встречаются варианты написания: Бартоломей, Барталамей, а также польская форма Bartłomiej. В русском языке ударение, скорее всего, падает на последний слог — Барталоме́й, хотя в польском оригинале оно на втором: Бартло́мей. Разница в написании (через «а» или «о» во втором слоге) может указывать на местный говор: в одних диалектах безударное «о» произносили как «а» и записывали соответственно, в других — держались за этимологическую «о».

Сословная принадлежность носителей этой фамилии могла быть разной. Поскольку имя Варфоломей носили и крестьяне, и мещане, и духовенство, фамилия Барталомей не указывает на дворянское происхождение, но и не говорит о низком статусе. Скорее всего, предок-основатель был человеком верующим, названным в честь апостола, а фамилия просто закрепила его полное имя для отличия от тёзок.