Il devient ensuite professeur d'Ancien Testament à la faculté de Théologie et vice-recteur de l'Université de Fribourg[2],[3]. À partir de 1953 il s'intéresse aux rouleaux des petits prophètes et publie en 1963 Les Devanciers d'Aquila, dans lequel il apporte des hypothèses révolutionnaires concernant les traductions et révisions grecques de l'Ancien Testament[3],[4],[5].
Il est également connu pour son ouvrage d'introduction à la lecture de la Bible, Dieu et son image[2].
Dieu et son image: ébauche d'une théologie biblique, Éditions du Cerf, 1963.
Les Devanciers d'Aquila: première publication intégrale du texte des fragments du Dodécaprophéton : trouvés dans le désert de Juda, précédée d'une étude sur les traductions et recensions grecques de la Bible réalisées au premier siècle de notre ère sous l'influence du rabbinat palestinien, Éditions du Cerf, 1963.
Découvrir l'Écriture, Éditions du Cerf, 2000.
Le pauvre choisi comme Seigneur : la bonne nouvelle est annoncée aux pauvres, Éditions du Cerf, 2009. [recueil de conférences, publication posthume]
(fr + de + en) Adrian Schenker, Clemens Locher et H.G.M. Williamson, Un maître de la critique textuelle, Dominique Barthélemy : l'édition de la Critique textuelle de l'Ancien Testament (1982-2015), Louvain ; Paris ; Bristol, Peeters, coll. « Cahiers de la Revue biblique » (no 91), , XI-68 p. (ISBN978-90-429-3642-3, OCLC1037676796, présentation en ligne) — la Critique textuelle de l'Ancien Testament est disponible sur Google Drive.