Bartolini studerte statsvitenskap ved Universitetet i Firenze. Han ble i 1976 tilknyttet Universitetet i Bologna og tre år senere vendte han tilbake til sitt alma mater, Universitetet i Firenze. I 1990 ble han full professor ved Universitetet i Trieste, året etter også ved Universitetet i Genève. Bartolini har også vært deltilknyttet Institut d'Etudes Politiques i Paris og Juan March-Instituttet i Madrid. Han arbeider nå som professor ved European University Institute i Firenze, der han siden 2006 har vært leder for Robert Schuman Centre for Advanced Studies.