Фамилия Вартоломей — редкий случай, когда русская фамилия сохранила полную, почти нетронутую форму личного имени, а не его уменьшительный или притяжательный вариант. В основе лежит каноническое христианское имя Варфоломей (от арамейского «сын Толмая»), которое в народном произношении часто теряло начальное «ф» и звучало как «Вартоломей». Такая замена «ф» на «т» — характерная черта просторечной и диалектной фонетики, где непривычный звук заменялся более знакомым.

В отличие от подавляющего большинства русских фамилий на -ов, -ев или -ин, Вартоломей не имеет патронимического суффикса. Это так называемая «именная» фамилия, которая закрепилась в документах без переделки: человека записали просто по его полному имени, минуя привычную модель «чей сын?». Такое оформление встречается в основном у выходцев из духовного сословия или у крестьян западных и южных губерний, где польская и украинская традиции допускали фамилии без суффиксов.

Самый вероятный сценарий появления фамилии — семинарский. В духовных училищах будущим священникам часто давали фамилии по именам библейских персонажей, причём в их полной, книжной форме. Апостол Варфоломей (один из двенадцати) дал начало целому ряду семинарских фамилий — Варфоломеев, Варфоломеевский, Варфоломеенко. Вартоломей мог возникнуть в той же среде, но с характерным простонародным оглушением, которое семинаристы нередко переносили в официальные записи.

Менее распространённая, но допустимая версия связывает фамилию с прозвищем. Если человек в миру носил имя Вартоломей (в быту — Вартоломей, Варфоломей, Варфоломка), то его могли записать без суффикса в переписных книгах, особенно если речь шла о казачьих или однодворческих списках. В таком случае фамилия — прямое свидетельство того, что предка звали именно так, и его не называли по отцу или профессии.

Географически фамилия Вартоломей встречается в основном на юге России и в Беларуси, а также среди потомков запорожских казаков. В центральных и северных губерниях она практически не фиксируется. Это дополнительно указывает на западное или южное происхождение, где суффиксальные модели были менее строгими.

С точки зрения словообразования, фамилия уникальна тем, что не даёт ответа на вопрос «чей?» или «откуда?». Она отвечает на вопрос «кто?» — и в этом её историческая ценность. Носитель фамилии Вартоломей с высокой вероятностью происходит из семьи, где имя апостола было не просто дано при крещении, а закреплено в качестве родового прозвища или официальной записи без дополнительных переделок.