Udawszy się do Wenecji został tam członkiem „Academia degli incogniti”. W Neapolu otrzymał propozycję pracy w katedrze filozofii. Druga propozycja, według sugestii Ole Worma, dotyczyła ukończenia studiów medycznych i zastąpieniu swego dziadka Thomasa Finckego, wówczas mającego 80 lat. Po odrzuceniu dwóch propozycji podjęcia pracy objął katedrę filozofii, promowana przez Bauhina w 1645 roku. Od czasu do czasu zastępował swego dziadka w fakultecie lekarskim.
Praca jego ojca na temat anatomii opublikowana w 1611 r., została później przez niego zilustrowana i poprawiona w 1641 roku, stając się jedną z najważniejszych w tej dziedzinie. Bartholin odwiedził włoskiego botanika Pietro Castelli w Mesynie w 1644 r. Od 1646 roku pracował jako profesor matematyki, następnie anatomii (1661) na Uniwersytecie w Kopenhadze. W Kopenhadze otrzymał stanowisko 3 profesora medycyny zajmowane dotychczas przez Simona Paulego.