De ouders van Barlaeus waren Caspar van Baerle en Cornelia Eerdewijns. De vader van Barlaeus was griffier in Antwerpen. Toen deze stad door de hertog van Parma werd ingenomen, vertrok het gezin naar Zaltbommel. Barlaeus was toen één jaar oud. Barlaeus' vader overleed in 1595. Hij was toen rector aan de Latijnse school.
Van Baerle werd predikant aan de Leydsche hoogeschool. In 1608 werd hij hervormd predikant in Nieuwe-Tonge, op het eiland Goeree-Overflakkee, waar hij vier jaar verbleef. In 1610 trouwde hij met Barbara Sayon uit Brugge, die de Spanjaarden ook ontvlucht was. In 1612 werd hij aangesteld als onderregent van het Staten Collegie te Leiden. Vanaf 1617 werd hij tevens hoogleraar in de logica te Leiden. Van Baerle koos in de heftige kerkgeschillen van die tijd de zijde van de remonstranten. Tijdens de Synode van Dordrecht werd deze leer veroordeeld, waarop Van Baerle in 1619 als onderregent en hoogleraar werd ontslagen. Hij probeerde in zijn levensonderhoud te voorzien door privélessen te geven en gedichten te schrijven. Deze werden uitgegeven door de gelijkgezinde uitgever Basson.
Hij volgde een opleiding in de geneeskunde en promoveerde tot doctor in Caen. Hij bleef echter nog steeds wijsbegeerte in Leiden onderwijzen. In 1632 werd hij hoogleraar in de wijsbegeerte en welsprekendheid aan het kort daarvoor opgerichte Athenaeum Illustre te Amsterdam. Daar beoefende hij de redenaarskunst in het Latijn. Zijn redevoeringen werden vaak in druk uitgegeven.
Zijn poëzie-werken, in het bijzonder zijn Latijnse poëzie, stonden hoog aangeschreven. Hij maakte een verhandeling die het beroemde portret van cartograafWillem Blaeu uit 1622 begeleidde. In 1622 vertaalde hij de beschrijvingen van Antonio De Herrera over de Antillen en in 1627 maakte hij de tekst voor een klein formaat atlas van Jodocus Hondius met 30 kaarten van Italië. In 1647 maakte hij een verzameling met talrijke belangrijke kaarten en platen over de gebieden in Brazilië van het Nederlandse koloniale imperium uit die tijd.
Zijn echtgenote Barbara Sayon overleed in 1635 en liet hem met 7 kinderen achter, onder wie vijf dochters.[1]
Een voorbeeld van zijn toespraken stamt uit september 1638. Maria de' Medici bezocht de stad Amsterdam, en werd onthaald op een toespraak door Van Baerle. Al eerder gaf Van Baerle aan het Athenaeum Illustre, de voorloper van de Universiteit van Amsterdam, in 1632 zijn inaugurele rede getiteld "Mercator sapiens" (de wijze koopman), die ging over de relatie tussen wetenschap en koopmanschap.
Het vermoeden bestaat dat hij zelfmoord pleegde door in een put te springen, omdat hij dacht dat hij van stro was, en in brand stond.
Barlaeus werd begraven in de Nieuwe Kerk op de Dam in Amsterdam. Het grafschrift werd geschreven door Joost van den Vondel en luidt: