Известность к нему пришла после открытия лимфатической системы человека и успехов в теории замораживающей анестезии, он первым описал её с научной точки зрения.
Томас Бартолин родился в семье, известной выдающимися учёными, двенадцать его родственников стали профессорами Университета Копенгагена. Три поколения семьи Бартолин внесли значительный вклад в анатомию и медицину в 17 и 18 веках: отец Томаса, Каспар Бартолин (старший) (1585—1629), его брат Расмус Бартолин (1625—1698), и его сын Каспар Бартолин (младший) (1655—1638).
В декабре 1652, Бартолин опубликовал первое полное описание лимфатической системы человека. Жан Песке отметил наличие такой системы у животных в 1651, а открытие грудного канала (thoracic duct) и его перехода в вены сделало Жана первым человеком, описавшим правильный ток лимфатической жидкости в кровь. Почти сразу за публикациями Песке и Бартолина, схожее исследование лимфатической системы человека было опубликовано Улофом Рудбеком в 1653. Хотя Рудбек и представил свои выводы при дворе Королевы Швеции Кристины в апреле-мае 1652, еще до Бартолина, он откладывал публикацию их до 1653 (то есть они вышли уже после работ Бартолина). В результате этого, разгорелся сильный спор по поводу первенства открытия.
22 глава публикации Томаса и Расмуса Бартолинов De nivis usu medico observationes variae содержит первое известное упоминание замораживающей анестезии — метода, изобретение которого Томас Бартолин приписывал итальянцу Марко Аурелио Северино из Неаполя. Согласно записям Бартолина, Северино первым показал использование замораживающих смесей снега и льда (1646), и Томас Бартолин изначально узнал о этой технике именно от него во время своего визита в Неаполь.
Синдром Бартолина-Патау, впервые описанный Томасом Бартолином, представляет собой врожденный синдром множественных аномалий, возникших из-за трисомии 13й хромосомы.
Каспар Бартолин, отец Томаса, его брат Расмус, и сын Каспар Бартолин (младший) внесли вклад в ключевые методы современной медицины благодаря их открытиям важнейших анатомических структур и явлений. Бартолин Старший начал преподавание как профессор в университете Копенгагена в 1613 году, и, в течение последующих 125 лет, научные достижения представителей семьи Бартолинов, работающих на медицинском факультете Университете Копенгагена получили международное признание и внесли вклад в репутацию университета.
Томас Бартолин был вторым из шести сыновей Каспара Бартолина, врача из Мальмо, Сконе и его супруги Анны Финке. Каспар Бартолин (старший) опубликовал первую работу в области анатомии в 1611. Эта работа была впоследствии иллюстрирована и переиздана Томасом, став стандартным справочником по анатомии.
Бартолин посетил итальянского ботаника Петро Кастелли в Мессине в 1644. В 1663 Бартолин купил Хагестедгард, сгоревший в 1670 вместе с его библиотекой и множеством манускриптов. Кристиан V Датский назначил Бартолина придворным врачом со значительным жалованием и освободил его владения от уплаты налогов в качестве компенсации за потерю. В 1680 здоровье Бартолина ухудшилось, имение было продано, и он вернулся в Копенгаген, где и скончался. Томас Бартолин был похоронен в церкви Vor Frue Kirke.
Большой проток подъязычной железы и бартолиновы железы названы в честь сына Томаса Бартолина, известного датского анатома Каспара Бартолина (младшего); Bartholinsgade, улица в Копенгагене, названа в честь их семьи. Неподалеку от неё находится Институт Бартолина (Bartholin Institutet).