Fils d'un anthropologue et d'une conteuse, Maurice Barthélémy débute sur les planches, joue Schnitzler, Topor, Marivaux, Dubillard, Stevenson ou les Marx Brothers, et se forme au cours d'Isabelle Nanty (1989-1990), où il rencontre Marina Fois, Jean-Paul Rouve, Elise Larnicol, Pascal Vincent et Pierre-François Martin-Laval (dit Pef).

Ils se retrouvent en 1996 dans la troupe « The Royal Imperial Green Rabbit Company » rebaptisée « Les Robins des Bois » suite au spectacle à succès « Les Robins des Bois d'à peu près Alexandre Dumas ». Le groupe explose à la télévision sur Comédie puis Canal+, avec de nombreux sketches et sagas (« La Cape et l'épée », « L'Instant norvégien »).

Ensemble, ils apparaissent dans SERIAL LOVER (James Huth, 1998) et chez leurs aînés et ex-Nuls, pour TRAFIC D'INFLUENCE (Dominique Farrugia, 1999) et ASTÉRIX & OBÉLIX : MISSION CLÉOPÂTRE d'Alain Chabat (2002) - en légionnaire Couloirdebus -, qui réalise leur délire préhistorique collectif RRRrrr !!! (2004), où Maurice Barthélémy incarne le chef des cheveux propres Pierre.

Il traverse un épisode de la série H (2001) avec Jamel Debbouze, Eric & Ramzy, accompagne Elie Semoun dans ses petites annonces, joue avec Rouve et Kad Merad dans LA STRATÉGIE DE L'ÉCHEC (Farrugia, 2001), dans le court BOIS TA SUZE (Emmanuel Silvestre, Thibault Staib, 2002), avec Marina Fois, dans LE RAID (Djamel Bensalah, 2002), avec Rouve, et dans le clip « Promises » des Cranberries réalisé par Olivier Dahan, qui en fait le comptable de la reine dans LE PETIT POUCET (2001).

Créatif, il publie l'ouvrage à l'humour absurde « J'ai passé ma vie à chercher l'ouvre boîte » (2001), et écrit et joue le programme court FAUT-IL ? (2002).

Il se lance dans son premier long métrage pour le cinéma, avec CASABLANCA DRIVER (2004), dans lequel il incarne le héros titre, boxeur raté et catapulté dans un combat décisif en 1969, avec aussi Isabelle Nanty, Dieudonné, Sam Karmann, Chantal Lauby, Patrick Chesnais, et les amis Chabat, Semoun et les ex-Robins des Bois.

Il apparaît aussi dans le premier long de son copain Pef (ESSAYE-MOI, 2006), dirige des films publicitaires, dont « 118 218 » avec Pascal Vincent, et débute une étroite collaboration avec sa nouvelle compagne Judith Godrèche, qu'il filme dans son second long métrage PAPA (2005), road movie porté par les sentiments et le lien familial et mené par Alain Chabat, Martin Combes et Yaël Abecassis.

Il se fait ensuite plus rare, avant d'apparaître en voisin amoureux de l'héroïne de TOUTES LES FILLES PLEURENT (2010), premier long métrage écrit et réalisé par Judith Godrèche, puis de revenir aux manettes de la comédie en avion LOW COST (2011), facéties des passagers d'un vol déglingué menés par Jean-Paul Rouve, Gérard Darmon et Judith.

Suivent les aventures parodiques et drolatiques de PAS TRES NORMALES ACTIVITÉS (2013), où il revisite à sa sauce la saga américaine phénomène à frissons PARANORMAL ACTIVITY.