Thomas Bartholin blev født ind i en af Danmarks mest bemærkelsesværdige intellektuelle familier. Hans far, Caspar Bartholin den Ældre, var også en anerkendt læge og teolog, mens hans onkel, Ole Worm (1588–1654), var en af tidens største naturforskere og en drivende kraft i opbygningen af det danske videnskabelige miljø.
Ole Worm var ikke bare forsker, men også en kulturel formidler og nationalist, der samlede danske kulturgenstande og søgte at styrke dansk selvforståelse gennem sin samling og forskning, der senere blev grundlaget for Nationalmuseet.
