Из потомственного дворянского рода. Дед - П. И. Бартенев, известный русский историк, пушкинист, издатель журнала «Русский архив».
Николай Сергеевич Бартенев закончил Морской кадетский корпус, курс Артиллерийских офицерских классов.
В 1912 году получил звание лейтенанта и назначение младшим артиллерийским офицером на броненосный крейсер «Рюрик». В декабре 1914 года назначен в морскую крепость Императора Петра Великого на остров Вормс помощником командира батареи № 30. В марте 1915-го он командир батареи № 33 на полуострове Вердер. Здесь Бартенев получил свою первую боевую награду - орден Св. Станислава III степени. В июне 1916 года назначен вторым артиллерийским офицером на линкор «Слава», где получил орден Св. Анны III степени и орден Св. Станислава II степени с мечами и бантами. Со 2 марта 1917 года он направлен в Свеаборгскую крепость руководителем стрельб учебной аэробатареи. Через два месяца переведён на мыс Церель командиром батареи № 43.
В сентябре на батарею участились налёты германской авиации, 18 сентября в результате одного из них произошёл взрыв порохового погреба, в результате чего было убито и ранено более ста человек, погибло несколько старших офицеров, лейтенант Бартенев получил серьёзное ранение. В октябре 1917 года во время операции «Альбион», несмотря на низкий боевой дух личного состава батареи и массовое дезертирство, сумел организовать оборону. Батарея под его командованием приняла неравный бой с кораблями противника, однако приближающиеся с суши германские части вынудили покинуть батарею, при отходе Бартенев попал в плен.
Вернулся из плена в сентябре 1918 года. Работал в Морском генеральном штабе, с 4 мая 1919 года в распоряжении командующего Северо-Двинской речной флотилией. За полгода боевых действий Бартенев получил за храбрость ещё одну награду. Был контужен и в 1922 году ушёл со службы (сказалось и ранение, полученное на Цереле).
Некоторое время Бартенев работал преподавателем географии в Высшей школе РККА, но затем был вынужден уехать из Москвы. Жил в Павловском Посаде, где работал инженером на заводе. Когда началась Великая Отечественная война, Николай Сергеевич писал заявления с просьбой отправить его на фронт, но возраст и ранения не позволили этого сделать.
Сыновья - Пётр, Владимир, Сергей - пали в Великую Отечественную войну:
- Бартенев Пётр Николаевич, 1921 г.р. Пропал без вести, предположительно погиб в октябре 1941 под Орлом.
- Бартенев Владимир Николаевич, 1924 г.р. Убит 08.02.1944, 311 СД , 1071 СП, командир миномётного взвода.
- Бартенев Сергей Николаевич, 1924 г.р. Убит 09.02.1944, 311 СД, командир миномётного взвода.
После войны жил в Москве. Скончался 8 марта 1963.