Томас Бартолин родился в семье, известной выдающимися учёными, двенадцать его родственников были профессорами Университета Копенгагена. Три поколения семьи Бартолин внесли значительный вклад в анатомию и медицину в XVII и XVIII веках: отец Томаса, Каспар Бартолин (старший) (1585—1629), его брат Расмус Бартолин (1625—1698), и его сын Каспар Бартолин (младший) (1655—1738).
В декабре 1652 года Бартолин опубликовал первое полное описание лимфатической системы человека. Жан Песке отметил наличие такой системы у животных в 1651 году, 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 году. Хотя Рудбек и представил свои выводы при дворе королевы Швеции Кристины в апреле-мае 1652 года, ещё до Бартолина, он откладывал публикацию их до 1653 года (то есть они вышли уже после работ Бартолина). В результате 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 13-й хромосомы.
Каспар Бартолин, отец Томаса, его брат Расмус, и сын Каспар Бартолин (младший) внесли вклад в ключевые методы современной медицины своим 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, работавших 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 году. Эта работа была впоследствии иллюстрирована и переиздана Томасом, став стандартным справочником по анатомии.
Бартолин посетил итальянского ботаника Петро Кастелли в Мессине в 1644 году. В 1663 году Бартолин купил Хагестедгард, сгоревший в 1670 году 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 году 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).