Фамилия Варфоломеев образована от канонического имени Варфоломей. В переводе с греческого оно означает «сын вспаханной земли» или «сын полей». Имя это апостольское: Варфоломей — один из двенадцати учеников Христа. В русской традиции оно попало через церковнославянский язык и долгое время оставалось сугубо крестильным, а в быту почти не употреблялось.

Варфоломеев — типичная «отчество на -ев». Суффикс указывает на происхождение от отца: «чей?» — Варфоломеев, то есть сын Варфоломея. По той же модели сложились фамилии Андреев, Матвеев, Тимофеев. Имя Варфоломей давали в основном в среде духовенства и купечества, реже — крестьянам. Поэтому, скорее всего, основатель рода Варфоломеевых не был простым земледельцем, а принадлежал к людям грамотным или состоятельным: священникам, приказчикам, купцам. В крестьянской среде это имя встречалось реже — из-за длины и книжного звучания.

В написании фамилии иногда путают: Варфоломеев и Варфоломеев — варианты одного корня, но второй встречается реже. В дореволюционных метрических книгах можно найти обе формы, хотя нормой считается первая.

У фамилии есть редкая особенность: она сохранила древнюю основу без усечения. Многие церковные имена в русских фамилиях сокращались: от Иоанн пошли Ивановы, от Георгий — Егоровы. Варфоломеев же почти не дал сокращённых вариантов, разве что в просторечии могли говорить Варфоломеич или звать на «Варя». Это говорит о том, что имя не стало массовым и бытовым, а держалось в письменной, книжной традиции.

В старину Варфоломеевы встречались в основном в центральных губерниях России — Московской, Тверской, Ярославской. К XIX веку фамилия распространилась шире, но так и осталась сравнительно редкой. Сейчас её носителей в России около трёх тысяч человек.