Etter examen artium i hjembyen, begynte Bertelsen sine studier ved Universitetet i Oslo i 1943, men blei som de andre Tysklandsstudentene arrestert og sendt til fangeleir i Tyskland der de var ut krigen. Etter krigen studerte han i Danmark og tok medisinsk embetseksamen ved Københavns Universitet i 1952. Her tok han også doktorgraden i 1958 (The premature synostosis of the cranial sutures). Spesialfeltet var øyesykdommer. I 1961 blei Bertelsen utnevnt til professor ved Universitetet i Bergen, ei stilling han hadde fram til pensjonering i 1993. Han var også overlege ved Haukeland sykehus, der han leda oppbygginga av øyeavdelinga. Han hadde flere sentrale verv ved disse institusjonene, bl.a dekan ved Det medisinske fakultet og leder for plankomiteen for nytt sykehusbygg.
I 1963 publiserte Tidsskrift for Den norske lægeforening Bertelsens artikkel «Hvor kommer lægene fra og hvor blir de av». Dette var en omfattende studie i sammenhengene mellom fødested, utdanningssted og arbeidssted. Konklusjonen var at dersom helsetilbudet i Nord-Norge skulle bedres, ville det være fornuftig å opprette et medisinsk fakultet i landsdelen. Bertelsen blei de kommende år en sentral forkjemper for etableringa av Universitetet i Tromsø (som blei vedtatt i Stortinget våren 1968). Han tok også initiativ til ordninga med en egen kvote for samisktalende studenter ved legestudiet.
Etter at han var gått av som professor, publiserte Bertelsen boka De skapte legemangelen, der han gav ei historisk oversikt over den politikken som var blitt fulgt av personer i helsepolitiske lederstillinger og ved Det medisinske fakultet i Oslo med mål å hindre at flere personer blei gitt mulighet til å utdanne seg til leger. Per Kleppe, tidligere finansminister, omtalte denne boka i sine memoarer (Meninger og minner fra et politisk liv, 2003, side 139): «På 1990-tallet har professor Bertelsen dokumentert legeforeningens negative linje på denne tiden. Våre diskusjoner med representantene for Helsedirektoratet hørte til de vanskeligste i vårt arbeid. Det endte med at komiteen måtte skjære gjennom og legge seg på et klart høyere tall for medisinerstudenter enn det helsedirektøren gikk inn for.»
Torstein Bertelsen (1958). The premature synostosis of the cranial sutures (dr.med. avhandling). Københavns Universitet. – 159 sider
Torstein Bertelsen, red. (1985). Nordisk lærebok i oftalmologi. Bergen: John Griegs forlag. [Utgave 2 (1988) og 3 (1993)]
Torstein Bertelsen (1991). Kampen for et medisinsk fakultet i Tromsø. Bergen.
Torstein Bertelsen (1998). De skapte legemangelen : kampen mot utenlandsmedisinerne : en universitetspolitiskog profesjonspolitisk studie fra årene 1945-1960. Bergen: Alma mater.
Torstein Bertelsen (2003). Regimentschirurgen. Wilhelm Johannes Schwindt 1766-1826 og hans lærlinger. Bergen: Forlaget Regius.
