Après avoir fréquenté des cours de comédie renommés (Cours Molière, cours d'Isabelle Nanty...) et écumé les planches, Maurice Barthélémy participe en 1997 à la création de la troupe comique des Robins des Bois. Découvert et lancé par Dominique Farrugia, le collectif aiguise son sens de l'absurde au travers de sketchs désopilants joués sur la chaîne câblée Comédie ! puis sur Canal +.
Maurice Barthélémy s'affranchit régulièrement des Robins des Bois pour faire des apparitions sur grand écran, exclusivement dans des comédies. Il s'illustre ainsi en 1999 dans Serial lover, puis dans Trafic d'influence et Le Petit Poucet, où il incarne le comptable de la Reine Catherine Deneuve. En 2002, il est à l'affiche de l'Astérix et Obélix : mission Cléopâtre d'Alain Chabat et du Raid de Djamel Bensalah.
En 2004, Maurice Barthélémy retrouve ses compères des Robins des Bois pour RRRrrrr !!!, comédie préhistorique écrite et interprétée par la troupe comique et réalisée par Alain Chabat. La même année, il passe derrière la caméra avec la comédie burlesque Casablanca driver, où il se met en scène dans la peau du plus mauvais boxeur de tous les temps. En 2005, il récidive dans la mise en scène et change totalement de registre avec Papa, une comédie dramatique qui aborde le difficile sujet du deuil, portée par son ami Alain Chabat.
Après avoir joué dans Essaye-moi (2006) de Pierre-François Martin-Laval, un de ses compères des Robins des Bois, et dans Toutes les filles pleurent (2008), réalisée par sa compagne Judith Godrèche, Maurice Barthélémy retourne derrière la caméra pour sa comédie Low Cost (2010), dans laquelle on peut justement retrouver cette dernière, aux côtés d'un autre de ses compères, Jean-Paul Rouve.