Né au sein du collectif Kourtrajmé, Olivier Barthelemy commence sa carrière d'acteur sous la direction de Kim Chapiron, dans de nombreux courts métrages, son premier étant Brigade de Repression des Psykonegros en 1996. Suivant la bande, il participe presque dix ans plus tard au long métrage Sheitan, interprétant l'un des jeunes de banlieue séquestrés par l'acteur confirmé, Vincent Cassel. En dehors du cinéma, Olivier Barthelemy se lance dans la télévision et se retrouve en 2007 à l'affiche de la série évènement La Commune, créée par Abdel Raouf Dafri.

Le monde des gangsters et des malfrats semble l'attirer, comme en témoignent ses seconds rôles dans Truands (2007) de Frédéric Schoendoerffer et Mesrine : L'Ennemi public n°1 (2008) de Jean-Francois Richet. Deux années après ce dernier, Olivier Barthelemy marque sa troisième collaboration avec Vincent Cassel, dans le déjanté et provocateur Notre jour viendra de Romain Gavras, où il tient le rôle de Rémy, adolescent roux martyrisé qui rêve d'exil.

En 2011, l'acteur s'associe à Largo Winch en interprétant Simon Ovronnaz dans le deuxième volet des aventures du célèbre héritier milliardaire, incarné par Tomer Sisley. Fidèle à son plan de carrière, Barthelemy continue de participer à des projets hors-normes, collaborant avec de jeunes cinéastes : en 2012, on le retrouve ainsi à l'affiche du thriller Aux yeux de tous, qui a la particularité d'être grandement filmé en caméras de surveillance. Il y donne la réplique à Mélanie Doutey sous la direction de Cédric Jimenez.