Il entre au Monde en 1992 et y devient journaliste scientifique en 1996. Il effectue de nombreux reportages sur des lieux de science et notamment à la ferme des corps de Knoxville dans le Tennessee[3], article qui lui a valu le prix du Témoin-Marc Dupont du jeune journaliste en 2001 [4].
En 2005, son ouvrage Le Code Voynich paraît aux éditions Jean-Claude Gawsewitch. Il est consacré au manuscrit chiffré du même nom[5] dont il publie le premier fac-similé. En 2007, il devient chef du service Science et Environnement du Monde. En 2008, il crée les pages « Planète » [6] consacrées aux questions environnementales avant de quitter, « en désaccord avec ses employeurs »[7], le quotidien. En 2009, il est rédacteur en chef du mensuel Science et Vie[3]. Journaliste indépendant entre 2010 et 2015, il a fait son retour au Monde en [8].
Il est le fondateur et l'auteur du blog Passeur de sciences sur le site du Monde[9], qui a, en 2015, reçu deux Golden Blog Awards : meilleur blog dans la catégorie Science-Recherche et meilleur blog de l'année. De 2011 à 2017 il a également tenu la chronique « Improbablologie » publiée chaque semaine dans le supplément « Science et Médecine » du Monde. Trois recueils de ces chroniques ont été publiés aux éditions Dunod, dont les Chroniques de science improbable, qui sont récompensées par le prix Le goût des sciences 2013[10]. En 2018, certaines chroniques ont été adaptées en BD par l'illustratrice Zoé Thouron [11].
Joueur d'échecs amateur[5], il a tenu la rubrique consacrée à ce jeu dans Le Monde, ainsi que deux blogs intitulés « Cases blanches, Cases noires »[3] et « Échecs Info ». Depuis 1993, il a couvert plusieurs championnats du monde et trois matches entre l’homme et l’ordinateur [5].
L'astéroïde de la ceinture principale (28248) Barthélémy[16], découvert en 1999, lui est dédié par ses découvreurs en 2015.
En , il reçoit, pour son blog et son travail de vulgarisation, le Prix de la ville de Royan[17].
En 2018, il a été récompensé par une Plume d'or de l'économie et du droit pour un article consacré à la législation en matière spatiale [18]. Il avait déjà été distingué par une Plume d'argent lors de l'édition 2016 pour un article sur l'utilisation d'Amazon Mechanical Turk par des chercheurs [19].
Ouvrages
Pierre Barthélémy (texte d'introduction), Le code Voynich : le manuscrit le plus mystérieux du monde : le manuscrit MS 408 de la Beinecke Rare Book and Manuscript Library, Yale University, Paris, Jean-Claude Gawsewitch Éditeur, , 239 p. (ISBN978-2-35013-022-4, OCLC470255252)
Improbablologie et au-dela : Nouvelles chroniques de science improbable (ill. Marion Montaigne), France, Dunod, , 176 p. (ISBN978-2-10-071157-4, lire en ligne).
La Science improbable du Dr Bart, (illustrations : Marion Montaigne) 2015, Dunod
