Laureato in lettere, iniziò la sua carriera di scrittore nel 1950, con Icaro e Petronio, al quale fecero seguito numerosi altri romanzi: da uno di essi, La bellezza di Ippolita, pubblicato nel 1955, di impostazione neorealistica, fu tratto nel 1962 il film omonimo, per la regia di Giancarlo Zagni. Ne fu protagonista Gina Lollobrigida, che ebbe modo di delinearvi uno dei suoi concreti e vivaci personaggi, quello di una provocante "benzinara". Bartolini, che oltre ad essere giornalista e commediografo fu anche sceneggiatore, ha lavorato assiduamente in questo ruolo al fianco di registi di prestigio. La sua collaborazione è stata fondamentale per Michelangelo Antonioni, con il quale, nel 1957 scrisse la sceneggiatura de Il grido, un film di notevole valore, che segnò il definitivo distacco del regista dal neorealismo. Nella poetica di Antonioni ebbe infatti inizio un nuovo periodo, il cui tema più significativo fu un'acuta indagine della crisi dei valori e dei sentimenti della classe alto-borghese, condotta attraverso il comportamento delle figure femminili, coinvolte in situazioni di profondo malessere esistenziale e tese verso un nuovo rapporto con la propria realtà. Tali spunti di novità contenutistica e formale ebbero una formulazione più approfondita e compiuta nel film successivo, L'avventura (Antonioni, 1960) in cui Bartolini raggiunse risultati eccellenti. Con uno stile concreto, da cronaca, senza alcun sottinteso simbolico, egli descrive una crociera durante la quale, sullo sfondo delle rocce di Lisca Bianca e delle chiese barocche di Noto, la nascita di un amore effimero, destinato ad una rapida agonia, si affianca alla scomparsa (suicidio?) di una ragazza, incarnata da una straordinaria Monica Vitti, divenuta poi l'attrice prediletta di Antonioni. Bartolini ha lavorato anche con Gianni Puccini, Giancarlo Zagni, Alessandro Blasetti, Florestano Vancini e altri; un cenno particolare merita la sceneggiatura di un film di Florestano Vancini, Le stagioni del nostro amore, del 1966, in cui l'acuta analisi della crisi di un intellettuale di mezza età si stempera in toni crepuscolari, senza che però venga meno il rigore dell'indagine psicologica, lucido fino alla spietatezza. L'unica opera da lui diretta è L'altro Dio, del 1975.
