François Barthélemyn setä oli tunnettu kirjailija ja arkeologi Jean-Jacques Barthélemy, jonka avulla hän pääsi diplomaattiuralle. Barthélemy työskenteli vuodesta 1768 Ranskan lähetystössä Tukholmassa ja vuodesta 1775 Wienissä, minkä jälkeen hän oli vuosina 1784–1792 asiainhoitajana Lontoossa. Vallankumouksen jälkeen hän oli 1792–1797 Ranskan lähettiläänä Sveitsissä. Barthélemy edusti Ranskaa vuoden 1795 Baselin rauhanneuvotteluissa, ja neuvotteli rauhan Espanjan, Preussin ja Hessenin kanssa. Hänet valittiin 26. toukokuuta 1797 jäseneksi Ranskaa johtaneeseen viisihenkiseen direktorioon ja hän astui virkaan 6. kesäkuuta. Hän liittoutui direktoriossa Lazare Carnot’n kanssa. Rojalististen sympatioidensa vuoksi Barthélemy syrjäytettiin fructidorkuun 18. päivän vallankaappauksen yhteydessä, erotettiin direktoriosta 5. syyskuuta 1797 ja karkotettiin Ranskan Guyanaan. Hän onnistui pakenemaan sieltä Yhdysvaltoihin ja edelleen Isoon-Britanniaan.