Петр Иванович Бартенев родился 13 октября 1829 года в старинной обедневшей дворянской семье. В 1847 году окончил с золотой медалью Рязанскую гимназию. До 1851 года слушал лекции Т.Н. Грановского, М.П. Погодина, С.М. Соловьева на историко-филологическом факультете Московского университета. К этому времени относятся его первые исторические работы, заслужившие одобрение М.П. Погодина.
Бартенев давал уроки и делал переводы – он хорошо знал французский, немецкий, английский, польский, латинский, греческий. Работал домашним учителем внуков Д.Н. Блудова, в доме которого получил много сведений о времени Павла I и Александра I. Также сотрудничал с рядом журналов и собирал материалы о А. С. Пушкине.
В 1854-1858 годах Бартенев служил в Московском архиве Министерства иностранных дел, что позволило ему хорошо узнать политическую историю России. Знаток фактов, Бартенев не любил исторических обобщений, считая, что «истинная историческая наука должна вести к пониманию настоящего».
В 1859 году он согласился принять место заведующего крупнейшей частной библиотекой Москвы – Чертковской. А в 1864 году состоялось знакомство Бартенева с Толстым, которому Бартенев подбирал исторический материал для романа «Война и мир».
В течение 50 лет Бартенев являлся «составителем и издателем» первого исторического журнала в России – «Русского архива» (было издано 598 томов). Это был ценнейший материал, необходимый для изучения истории России 18 и 19 веков.
Петр Иванович Бартенев умер (22 октября) 4 ноября 1912 года на 84-м году жизни в Москве.