В 1960 году окончил Московский государственный институт театрального искусства им. Луначарского. Работал в Московском театре им. А.С.Пушкина.
В 1962 году поступил в Челябинский театр драмы им. С. М.Цвиллинга, затем перешел в театр «Красный факел» (Новосибирск), где проработал с 1963 по 1968 год.
С 1968 года - артист Челябинского государственного академического театра драмы. Ведущий актер театра, обладающий самым универсальным диапазоном. Сыграл более сотни ролей в театре и десятка два в кино.
После московских гастролей театра в 1978 году столичные критики писали про Варфоломеева, что в труппе есть «не просто хорошие актеры, а крупные художники». В репертуаре актера более 100 театральных ролей. Его герои – люди широкой души, щедрые, шумные, жизнелюбивые. Склонность к юмору, розыгрышу, актер реализовал в комедиях, мюзиклах, спектаклях-шутках.
В 1995 году в театре, а затем на ТВ прошел бенефис Варфоломеева, ему как «выдающемуся деятелю культуры и искусства Челябинской области» была присуждена областная стипендия. В 2000 году за роль Оливера Сэрфеса (пьеса «Скандал! Скандал...» по роману «Школа злословия» Р. Шеридана) награжден за актерское обаяние и кураж дипломом областного театрального конкурса «Сцена-2000».
Работы в кино: «Воздухоплаватель», «Личной безопасности не гарантирую», «Мужики», «Чужие здесь не ходят», «ЧП районного масштаба» и другие.
Ушёл из жизни 17 сентября 2010 года в Челябинске. Похоронен актёр на Аллее почётных захоронений Успенского кладбища Челябинска.