Seguendo la tradizione familiare, oltre alla medicina si è interessato anche alla filosofia, all'archeologia, al diritto e alla filologia. Affetto da tubercolosi polmonare, nel 1640 Bartolini scese verso la Francia e l'Italia nella speranza che il clima mite potesse essere di beneficio alla sua salute; nel contempo frequentò le università del luogo. Si recò dapprima a Parigi, poi a Orléans, a Montpellier, ha studiato a Napoli e infine a Padova, dove migliorò la tubercolosi, ma si ammalò di calcolosi renale. Nello Studio patavino Thomas Bartholin divenne allievo di Johann Vesling (1598-1649) il quale lo aiutò nella revisione delle "Institutiones anatomicae" del padre, pubblicate nel 1645. Durante il suo soggiorno padovano, nel marzo 1642 fu uno degli studenti che assistettero alla scoperta del dotto pancreatico fatta da Johann Georg Wirsung.