Barrientos stammet fra Tarata i Cochabamba-departementet, og var av blandet spansk og quechua-avstamning. Han ble karriereoffiser etter at han fikk sitt flysertifikat i 1945. På 1940-tallet ble han tiltrukket av det reformistiske nasjonalbevegelsespartiet Movimiento Nacinalista Revolucionario, MNR, som ble ledet av Víctor Paz Estenssoro. Barrientos hadde deltatt i den bolivianske revolusjonen i 1952, dra MNR styrtet den sittende regjeringa. Han fikk da det ærefulle oppdraget å fly ut av landet for å hente hjem revolusjonslederen Paz Estenssoro, som befant seg i eksil. I 1957 ble Barrientos belønnet ved at han ble utnevnt til kommandant for det bolivianske flyvåpenet.