Barthélemy, aufgewachsen im Pariser Vorort Champigny, brachte sich das Gitarrenspiel autodidaktisch mit 14 Jahren bei. Neben seinem Mathematik-Studium, das er mit einem Diplom 1978 abschloss, interessierte er sich für zeitgenössische klassische Musik, nahm an Theaterprojekten teil (mit dem Schlagzeuger Manuel Denizet und dem Pianisten Mico Nissim) und spielte in einer Jazzrock-Gruppe namens Oedipe.
1978 lernte er Michel Portal kennen, stieg in dessen Michel Portal Unit ein und war seitdem häufig in dessen Gruppen. Um dieselbe Zeit ging er mit Aldo Romano ins Studio („Il piacere“) und nahm 1979 sein Debütalbum mit eigenem Trio auf („Jaune et encore“, mit Stu Martin, Gèrard Marat). 1981 spielte er im Trio mit dem Bassisten Jean-Luc Ponthieux und dem Schlagzeuger und Sänger Jacques Mahieux. 1982 arbeitete er mit dem Komponisten und Posaunisten Vinko Globokar für Theatermusik zusammen und begann eine Zusammenarbeit mit dem Komponisten Georges Aperghis. Er wurde Bassist und Arrangeur im Quartett des Saxophonisten Jean-Marc Padovani, mit dem er 1986 ein Werk für Bläserquintett schrieb. 1987 folgten „PariBambelle“ und 1987 „La Gomme“, ein Werk für Streichquartett, Jazz-Quintett, Gesang, mit eingebundenem Theater und Video. Im selben Jahr gründete er „Zhivaro“ mit Gérard Marais, Didier Levallet, Henri Texier, Jacques Mahieux und Sylvain Kassap, die sich sowohl mit Jazz als auch mit Neuer Musik beschäftigen.
1988 arrangierte er das Concierto de Aranjuez von Joaquín Rodrigo für das Blechbläserensemble „Concert Arban“. Von 1989 bis 1991 war er Leiter des staatlichen Orchestre National de Jazz (ONJ), bei dem er schon 1987 spielte. 2002 bis 2005 leitete er das Orchester ein zweites Mal. Außerdem spielt er weiter mit seinem langjährigen Trio (mit Ponthieux und Denizet) und seinem Quartett (mit dem Bassisten Claude Tchamitchian, dem Schlagzeuger Christophe Marguet und Daunik Lazro am Saxophon).
2007 spielte er auch mit fünf Trompetern in einer Gruppe „La Forge“ und im Trio mit dem Bassisten Marc-Michel Le Bévillon und dem Schlagzeuger François Laizeau.
In seinen Kompositionen und Improvisationen verarbeitet er klassische Musik von Couperin, Bartók, Boulez und Webern, Folk und Weltmusik, Rock, Funk, Pop und Jazz von Django Reinhardt und John Coltrane. Er komponierte für das „Ensemble Modern“, das Ensemble „Ars Nova“, das „Orchestre Lyrique de Avignon Provence“ und das „Orchestre National de Pays de Loire“. Er schreibt auch Musik für Theaterprojekte, bildhauerische Projekte (Kiki Picasso) und Ballette.
Neben Gitarre (hier ist er für sein virtuoses schnelles Spiel bekannt) spielt er auch seit 1999 die arabische Laute (Oud). 1997 erhielt er den französischen Django d’Or.
Forest One (1981), Cobalt; hier nahm er sich mit mehreren Gitarren im Overdub Verfahren auf)
Moderne (1983 OWL)
Real politik (1986, von Barthélemy im eigenen Label, produziert mit Michel Godard)
Rock Airs de La Lune (1995 Auvidis; mit Lucilla Galeazzi)
Monsieur Claude (1997 2Z; mit dem Saxophonisten Daunik Lazro, die Platte erhielt den Django d´Or)
Solide (1993 Evidence; (mit Ponthieux, Delizet im Trio)
Sereine (2001, mit Jacques Mahieux (Schlagzeug), Nicolas Mahieux (Bass), Frank Tortiller (Vibraphon), Didier Ithursarry (Akkordeon), Bojan Z. (Keyboard), Philippe Lemoine (Saxophon), Jean-Louis Pommier (Posaune), der Sängerin Elise Caron, Médéric Collignon (Kornett und Gesang)), Label Bleu
