Michele Bartoli wuchs in einer Familie auf, die besonders radsportbegeistert war. Sein Vater Graziano war sehr erfolgreicher Amateur und fuhr auch Profirennen in Zeiten des Felice Gimondi. Den Vornamen verdankt Bartoli dem Weltklasseradfahrer Michele Dancelli, welcher in Bartolis Geburtsjahr den besonders großen Klassiker Mailand – San Remo für sich gewonnen hatte.
Bartoli war ein sehr erfolgreicher und bedeutender Klassikerjäger. Er holte mehrmals den Gesamtweltcup und siegte bei acht Weltcuprennen. Hierunter waren mit Lüttich – Bastogne – Lüttich und auch die Flandern-Rundfahrt Radrennen mit besonders unterschiedlichen Anforderungen.
Nach dem besten Jahr 1998, und nachdem Michele Bartoli im Jahre 1999 mit seinen Siegen beim Wallonischen Pfeil und dem Tirreno – Adriatico viel versprechend begann, zog der Sportler sich bei der Deutschland-Tour eine sehr schwere Knieverletzung zu und verlor in Folge auch die Führung der UCI-Weltrangliste, welche er von 1998 bis 1999 innehatte. Der Radprofi erlitt hierbei einen Riss der Patella-Sehne und eine Gelenkverletzung am Knie. Er wurde bereits in der Klinik in Bad Kreuznach operiert.
Der Start bei der Tour de France war damals mehr als fraglich. Im Jahre 2000 fuhr Bartoli dennoch mit den vierten Plätzen beim Olympischen Straßenrennen in der Stadt Sydney und bei der Weltmeisterschaft nur knapp an den Medaillengewinnen vorbei.
2002 erreichte Bartoli mit dem Gewinn der Lombardei-Rundfahrt seinen ersten Weltcupsieg auf heimischen Boden. Den Sieg wiederholte er 2003 noch einmal.
Nach der Saison im Jahre 2004 trat Bartoli vom Radsport komplett zurück. Entscheidend hierfür waren vor allem gesundheitliche und Motivationsprobleme, wie der Radrennfahrer in Interviews mitteilte.
Bartoli trainierte sich zu einem der bedeutendsten und charismatischsten Klassikerjäger in seiner Zunft. Er holte zweimal den Weltcup und gewann hierbei acht Weltcuprennen, worunter mit dem Lüttich – Bastogne – Lüttich und der Flandern-Rundfahrt Radrennen mit sehr unterschiedlichen Anforderungen waren.
Im Jahre 2012 wurde bekannt, dass Michele Bartoli künftig als Radrenntrainer für das Lampre-Team berechtigt sei und die Radrennfahrer bei Leistungstests im Sport-Zentrum in Lucca betreut.
Wie der WorldTour-Rennstall in Italien hier ankündigte, soll der 42-jährige Sportler in erster Linie für die Kapitäne wie Filippo Pozzato, Roberto Ferrari, Michele Scarponi, Diego Ulissi, Alessandro Petacchi und Damiano Cunego verantwortlich sein. Der bisherige Sportdirektor Roberto Damiani wird das Team zum Saisonende verlassen.
Michele Bartoli trat nach seiner erfolgreichen Karriere mit Gewinnen bei Lüttich – Bastogne – Lüttich, der Flandern-Rundfahrt sowie der Lombardei-Rundfahrt im Jahre 2004 zurück. Er fuhr auch für den Mapei-QuickStep, den Fassa Bortolo und fuhr hier die letzte Saison bei CSC.
Bartoli gehörte auch zum Kundenkreis des Dopingarztes Eufemiano Fuentes in Madrid. In einem Artikel aus dem Jahre 2007 schrieb die La Gazzetta dello Sport über den Klassikerspezialisten unter dem damaligen Codenamen Sansone. Dies war damals der Name von Bartolis Hund, der in einer Kartei von Fuentes geführt wurde.
Im Jahre 1998 wurde Michele Bartoli in Pisa als der beste Radrennfahrer der Welt gekürt. Aus diesem Grund führt er überlegen die Weltrangliste. Er erklärte hier, dass er auch in Form sei, bei Lüttich – Bastogne – Lüttich zu siegen.