Di Bartolomei nacque in una delle poverissime borgate romane, tra i caseggiati popolari in condizioni di sovraffollamento e miseria.
Crebbe come campione vicino a Tor Marancia, il quartiere nel sud di Roma in cui era nato, nell'Oratorio S. Filippo Neri alla Garbatella. Passò alla Roma giovanissimo, e si fece subito notare per la sua eccellente tecnica di gioco, entrando presto nella prima squadra della Roma, con cui vinse un titolo del campionato Primavera.
Nel 1972 (stagione 72/73), giocò la sua prima partita con la casacca giallorossa. L'anno seguente subì un grave infortunio al ginocchio, che lo mise fuori gioco per qualche tempo, e gli causò dolori lancinanti impedendogli persino di dormire per otto giorni consecutivi.
Nel 1975 andò in prestito al Vicenza, dove fece esperienza pronto a rientrare alla Roma per ricoprire un ruolo primario. Dalla stagione 76/77 Agostino Di Bartolomei diventò titolare inamovibile della Roma, formando un team perfetto con il brasiliano Falcao.
Con l'avvento della presidenza di Dino Viola e con il ritorno di Nils Liedholm alla guida dei giallorossi, Di Bartolomei divenne il leader della squadra. Negli anni Ottanta raggiunse l'ambito ruolo di capitano della Roma.
Di Bartolomei era un capitano atipico, sempre molto educato e posato nelle sue discussioni con gli arbitri: quando discuteva una decisione o chiedeva chiarimenti, si preventava con le mani raccolte dietro la schiena, in un fare conciliante e mai aggressivo, al contrario di quanto avveniva per quasi tutti gli altri giocatori.
All'inizio della stagione 1982/83 Niedholm ebbe la strana idea di arretrarlo al ruolo di libero, lasciato vacante dalla partenza di Maurizio Turone. Nonostante le prime perplessità sia da parte del pubblico che dello stesso giocatore ed i primi fallimentari risultati sul campo, col tempo il nuovo ruolo mostrò i suoi esaltanti frutti grazie sopratutto alla presenza di Pietro Vierchowod che suppliva alla carenza di velocità di base dello stesso Agostino, con azioni di recupero difensive mai più viste in un campo di calcio.
Le doti di Di Bartolomei erano decantate da Liedholm, che ne apprezzava i "lanci lunghi e perfetti", la "corsa elegante con la testa sempre alta" e i "tiri tremendi".
Questa stagione lo vide conquistare lo scudetto e segnare 7 gol in campionato su 28 presenze, mentre la seguente, 1983/84, caratterizzata dalla sconfitta contro il Liverpool in finale di Coppa dei Campioni, fu l'ultima in giallorosso.
Di Bartolomei non avrebbe voluto giocare la finale "maledetta", essendo a conoscenza del fatto che il presidente Viola aveva tentato di corrompere l'arbitro della semifinale contro il Dundee United. Prima della finale lo scandalo non era ancora emerso, ma i giocatori sapevano e questo fatto turbava la coscienza di Agostino.
In totale Ago giocò con la Roma 308 gare (146 da capitano) segnando 66 gol. In 11 stagioni giallorosse conquistò anche tre Coppe Italia.
Tecnicamente parlando e dal punto di vista morale, dell'immagine, della lealtà e della sportività globale Agostino rimane un esempio indiscutibile del calcio italiano come pochi altri, ad esempio Gaetano Scirea.
Nella sua avventura romana ha ricevuto una sola espulsione, nella stagione 1978/79 contro la Juventus (gli venne sventolato il cartellino rosso insieme a Pietro Paolo Virdis), in cui segna però anche la rete della vittoria.
Nel 1984 venne inaspettatamente venduto per risanare le casse della società, complice l'arrivo del nuovo coach Sven Goran Eriksson: un mese dopo la sconfitta contro il Liverpool in finale di Coppa dei Campioni, giocò la sua ultima partita in maglia giallorossa nella finale di Coppa Italia vinta contro il Verona. I tifosi gli dedicarono uno striscione: "Ti hanno tolto la Roma ma non la tua curva". Si vociferò insistentemente di contrasti con Falcao, tanto che quest'ultimo si sarebbe rifiutato di tirare un rigore nella finale sul dischetto usato da Di Bartolomei.
Militò successivamente nelle file di Milan, e durante questo periodo, nel 1985 fu coinvolto nell'unico vero episodio di scorrettezza della sua carriera: l'attaccante romanista Ciccio Graziani colpi duramente Di Bartolomei in un intervento, e la reazione di quest'ultimo unita alle intemperanze dei compagni (ed ex-compagni) di squadra trasformò la partita in una rissa. Nelle interviste del dopo partita, l'ex-compagno Bruno Conti disse che Ago giocava "tranquillo, pulito, senza mai uscire dal campo sudato", un'ambiguità che colpì molto i sentimenti del giocatore.
Nel 1987 il Milan entrò nell'Era Sacchi, e nella squadra costruita a tavolino con i tecnicismi del "modulo" sacchiano non c'era più spazio per un regista puro ma lento come Di Bartolomei. Venne ceduto al Cesena; concluse la sua carriera nel 1990, nelle file della Salernitana, dove contribuì al raggiungimento della storica promozione in serie B dopo 24 anni di assenza.
Al termine della sua carriera calcistica, pur essendo stato sempre polemico con la vecchia dirigenza per la sua cessione, aspettò a lungo l'interessamento della Roma nei suoi confronti per iniziare una carriera dirigenziale nella squadra della sua città; interessamento che però non ci fu mai.
Fu anche opinionista per la RAI durante i mondiali di calcio nel 1990. Morì suicida il 30 maggio 1994 a S.Marco di Castellabate, un paesino della costa cilentana dove viveva, dopo essersi sparato un colpo di pistola al cuore a dieci anni esatti dalla finale di Coppa dei Campioni persa dalla Roma contro il Liverpool. | 
