Richard Barthelmess liep school aan het Trinity College in Hartford Connecticut waar hij kennismaakte met het amateurschooltoneel. Tijdens een schoolvakantie kwam hij in contact met actrice Alla Nazimova, een vriendin van zijn moeder, Caroline Harris, overigens ook een actrice. Zij bood hem een rol aan in de film War Bride die meteen ook zijn debuut in een langspeelfilm werd. Gevolg: hij keerde nooit meer terug naar school en dook zomaar de periode van de stille films in.
Hij was meermaals de held in een aantal filmproducties van D.W. Griffith Zoals Broken Blossoms (1919) met Lillian Gish en Way Down East (1920), een film waar ook zijn echtgenote Mary Hay een kleine rolletje in had. Barthelmess trouwde op 18 juni 1920 in de Church of the Heavenly Rest in New York met Hay die hij had ontmoet tijdens de première van Broken Blossoms en scheidde terug in Parijs op 29 december 1926, ze kregen in 1923 één kind, Mary. in 1928 trouwde hij met Jessica Sargeant en bleef met haar getrouwd tot aan zijn dood.

In 1921 stopte de samenwerking met Griffith en richtte hij Inspiration Pictures op, een eigen (film-)bedrijfje met Henry King als regisseur. Hun samenwerking leidde bijna onmiddellijk tot een rol in Tol'able David (1921), volgens velen zijn beste rol ooit. Bartholomess bleef populair tot de komst van de gesproken films/geluidsfilms. Waar hij het daarvoor moest hebben van zijn uitstraling qua gelaatsexpressie kwam hij bij deze nieuwe soort van films nog maar weinig tot zijn recht. Met als gevolg het vertolken van eerder smakeloze personages. Inspiration Pictures werd ontbonden begin 1927 waarna Richard Barthelmess een overeenkomst van 3 jaar met First National Pictures afsloot. Zijn jaarsalaris bedroeg op dat moment maar liefst 375.000 dollar.

In 1927 maakte Richard Barthelmess deel uit van een comité dat het plan opvatte om een reeks prijzen voor de filmwereld te introduceren. De oprichting van de Academy of Motion Pictures, Arts & Sciences volgde, de Academy Award/Oscar was hun eerste en belangrijkste realisatie.

In 1929 was Richard Barthelmess te zien in zijn eerste geluidsfilm, Weary River.

In 1942 werd hij reservist als luitenant-commandant bij de Amerikaanse marine en was te zien in karakterrollen zoals in Only Angels Have Wings (1939). Na de Tweede Wereldoorlog hield hij het voor bekeken op filmvlak en hij trok zich terug op Long Island.

Richard Barthelmess overleed aan keelkanker en liet een vermogen van 1 miljoen dollar na.