Фамилия Бартулей звучит необычно для русского уха, и это не случайно. Она явно не вписывается в ряд типичных русских фамилий на -ов, -ин или -ский. Её происхождение, скорее всего, связано с западными или южными славянами, а также с балтийскими языками. В основе фамилии лежит личное имя Бартоломей — аналог русского Варфоломея. В польском, чешском, словацком и украинском языках это имя сокращалось до форм Бартек, Бартош, Бартусь, Бартуля. Суффикс -ей в фамилии Бартулей указывает на то, что перед нами не просто прозвище, а патроним, образованный от имени Бартуля (или Бартуль) по модели, характерной для польских и белорусских фамилий. В русской традиции такое окончание встречается редко, что подтверждает «невеликорусское» происхождение.

Если рассматривать географию, фамилия Бартулей наиболее вероятна для западных регионов Беларуси, Польши или Литвы. В этих местах фамилии с основой «Барт-» (Бартошевич, Барткевич, Бартуль) очень распространены. В польском языке слово «bartnik» означает «бортник» — человек, добывающий мёд диких пчёл. Однако в случае с Бартулей связь с бортничеством маловероятна: суффикс -ей не характерен для профессиональных названий, а имя Бартоломей было чрезвычайно популярным в католическом мире, поэтому именно оно — главный кандидат в источники.

Таким образом, предок носителя фамилии Бартулей, скорее всего, был поляком, белорусом или литвином, которого в быту звали Бартулей, то есть уменьшительно-ласкательно от Бартоломея. В XIX веке, при унификации фамилий в Российской империи, это прозвище закрепилось как наследственное. Фамилия редкая, и её носители сегодня — это, как правило, потомки тех, кто либо мигрировал из западных губерний в центральную Россию, либо сохранил фамилию в исконных местах обитания.