Özellikle insanlardaki lenfatikleri keşfetmesiyle tanınır. Bu keşif aynı dönemde DanimarkalıOlof Rudbeck tarafından da yapılmış olsa da, Bartholin, Rudbeck'ten önce yayımlamıştır.
Bartholin ailesi birçok bilim adamı yetiştirmiş olmakla tanınır. Kopenhag Üniversitesi'nde profesörlük ünvanını kazanmış 12 kişi bu aileden gelmedir. Thomas Bartholin'in oğlu, Caspar Bartholin de bilimsel gelişmelere katkıda bulunmuş, 1611deRönesans döneminin en çok okunan kitapları arasında olan bir anatomi eseri yayımlamıştır.