Lui e suo fratello maggiore, Rasmus Bartholin, erano figli dell'eminente anatomista Caspar Bartholin; suo figlio Caspar, anch'esso anatomista, descriverà per primo le Ghiandole di Bartolini. Quando suo padre morì (1629), venne affidato alle cure del cognato Ole Worm, a sua volta famoso professore di medicina e archeologo.