Eugène Barthélémy est né à Paris en 1841.
En 1861, il entre à l'Ecole des beaux-arts dans l'atelier Constant-Dufeux.
Il est nommé inspecteur des édifices diocésains de Rouen en juin 1867. Bien que l'architecte diocésain doive être résident, il bénéficie d'une exception, en raison de l'importance des travaux de la cathédrale, d'autant que la mission d'inspection est alors gratuite. A partir d'août 1870, il touche un traitement fixe en raison de l'importance des travaux effectués au séminaire. Il démissionne en 1881 et demande à être nommé architecte-adjoint des travaux d'achèvement de la flèche de la cathédrale. Il sera par la suite inspecteur des travaux d'architecture à la ville de Paris, et membre de la Société centrale des architectes à partir de 1882.
En début de carrière, il réalise de nombreux travaux pour des particuliers, notamment des hôtels, des maisons, des usines, des pensionnats et un manège, et participe à divers concours publics (Tourcoing, Oran, etc.).
Employé pendant de nombreuses années à la ville de Paris comme professeur de dessin et comme architecte attaché au service permanent d'architecture, il est chargé de la construction du groupe scolaire de la rue Geoffroy-Lasnier (4e arr.).
Il meurt en 1898.
