Inizialmente il Bartolomei non condivise gli entusiasmi del periodo riformatore, ma in seguito costituì, con sede nel proprio palazzo fiorentino di via Lambertesca, un comitato composto in prevalenza di elementi democratici per chiedere la concessione di riforme al granduca. Fu appunto in via Lambertesca che fu promossa la manifestazione a palazzo Pitti del 12 sett. 1847. Legato in amicizia con Antonio Mordini, dal quale più tardi si distaccò, e con Leopoldo Cempini, il Bartolomei rappresentò in quel momento una delle punte avanzate del partito riformatore. Scoppiata la guerra, per le non felici condizioni di salute non poté prendervi parte, ma sovvenne largamente con i propri mezzi i volontari che più tardi raggiunse sul campo.
Le successive vicende toscane non lo trovarono consenziente. Collaboratore della Rivista indipendente,diretta dal Cempini e poi soppressa nel periodo guerrazziano, egli non approvò il ministero Montanelli-Guerrazzi, né la successiva opera dei triumviri dopo la fuga del granduca, e neppure quella del dittatore Guerrazzi, anche se fu pronto a prestare la sua opera per la costituzione di una guardia cittadina diretta a mantenere l'ordine pubblico. Ma, decisamente ostile alla dinastia lorenese, disapprovò anche l'operato della Commissione governativa, succeduta al Guerrazzi, e il richiamo del granduca, né si unì agli approcci dei moderati nel vano tentativo di stabilire una collaborazione, sotto certe garanzie, con il ministero Baldasseroni. Si ritirò in campagna e riprese studi ed esperimenti di agricoltura. Nel 1850 fu nominato socio corrispondente dell'Accademia dei Georgofili e nel 1855 fu promosso tra gli effettivi. Scrisse in questi anni articoli sul periodico letterario-scientifico «Lo Spettatore» su temi di economia rurale, e partecipò alla polemica, svoltasi in seno all'Accademia dei Georgofili nel 1855, sul problema della mezzadria, circa la quale espresse forti riserve sulla sua utilità per il perfezionamento e il progresso dell'agricoltura.
Non aveva abbandonato però la politica. Un viaggio compiuto nel 1850 nel Belgio, in Svizzera, in Piemonte e in Lombardia con lo scopo di ampliare le sue conoscenze sull'allevamento del bestiame e di studiare la possibilità di creare - ciò che poi fece - un caseificio nella sua tenuta, gli diede modo di conoscere Vittorio Emanuele II e di avere colloqui con Massimo d'Azeglio. Tornato in Toscana, fu il promotore della commemorazione dei morti di Curtatone e Montanara organizzata il 29 maggio 1851 nella chiesa di S. Croce. Come è noto, l'opposizione del governo e la repressione della polizia dettero a quella manifestazione un valore e una risonanza superiori al suo effettivo contenuto e contribuirono al distacco fra la popolazione e la dinastia. Il B. fu arrestato e condannato a sei mesi di confino nella sua tenuta di Val di Nievole; ma appena rientrato in Firenze riprese l'attività politica, impiantò una tipografia clandestina nel suo palazzo e incominciò a diffondere scritti sovversivi. La tipografia non fu scoperta, ma il Bartolomei, accusato di diffondere manifesti sediziosi, fu arrestato ancora, processato e condannato a sei mesi nella fortezza di Piombino (1852). La condanna fu commutata in un anno di esilio. Si recò dunque con la famiglia a La Spezia, poi a Torino dove ebbe modo di venire in contatto con Cavour, La Farina e d'Azeglio. Per i propri studi di agricoltura andò poi a Parigi, in Belgio, in Olanda e in Inghilterra, e quando ritornò in Toscana riprese, ma cautamente, i contatti con l'opposizione liberale. Era ormai convinto che la politica seguita dal governo sardo fosse la migliore, e accettò perciò l'incarico, particolarmente 1 adatto al suo temperamento di organizzatore, di promuovere anche in Toscana la Società nazionale, di cui divenne capo attivissimo. Ebbe mano felice nella scelta dei collaboratori, contribuì con la diffusione di stampati clandestini all'evoluzione in senso nazionale dell'opinione pubblica toscana, raccolse e sussidiò con i propri mezzi numerosi volontari per il Piemonte, si assicurò la collaborazione del gruppo repubblicano staccatosi da Mazzini (Dolfi e Cironi) e, con l'aiuto di Stefano Siccoli, ottenne l'adesione dell'esercito toscano al movimento nazionale. Fu dunque uno dei principali esponenti della famosa rivoluzione fiorentina del 27 apr. 1859, promossa da lui e dagli altri compagni - in netto contrasto con la parte moderata - con lo scopo di rovesciare la dinastia lorenese e ottenere l'unione della Toscana al Regno di Sardegna.
Nominato, dopo la rivoluzione, gonfaloniere di Firenze (carica che conservò fino al 1864), prestò tutta la sua collaborazione alla politica unitaria del Ricasoli. Fu, nel luglio 1859, tra i fondatori del giornale La Nazione,deputato all'Assemblea dei, rappresentanti della Toscana (agosto 1859), e l'anno seguente deputato di Montecatini alla VII legislatura. Nel maggio i 860 si recò a Torino e riprese a lavorare attivamente per la ricostituita Società nazionale e per l'invio di aiuti all'impresa garibaldina. Sostituì infatti il La Farina nella presidenza, allorché questi andò in Sicilia. Nominato senatore nel 1862, non poté partecipare attivamente ai lavori dell'Assemblea. Gravemente malato e divenuto quasi cieco, dedicò le ultime energie allo studio delle riforme degli istituti di beneficenza.
Morì a Firenze il 15 giugno 1869.
(Notizie tratte da "Dizionario Biografico degli italiani", voce compilata da S. Camerani)