Ottorino Bartolini nacque a Udine il 10 novembre 1892 da Annibale e Luigia Locatelli, di una vecchia famiglia bergamasca di professionisti. Nel 1911 si immatricolò presso la facoltà di lettere dell'università di Torino dove si laureò quattro anni dopo. Seguì il corso di studi in storia facendosi allievo di Pietro Fedele e prendendo parte anche ai seminari di Gaetano De Sanctis nella sezione di filologia classica. Alla scuola del Fedele fu indirizzato allo studio della storia dell'Italia meridionale nell'alto medioevo, in particolare a quella dei ducati della "Langobardia minore".
Appena dopo la laurea, Bertolini fu chiamato alle armi e, nominato ufficiale, venne inviato sul fronte di combattimento dell'Isonzo. Fu fatto prigioniero il 24 ottobre del 1917 e internato nel campo di Celle in località Scheuen, nella regione di Hannover. Venne poi congedato col grado di capitano.
Restituito alla vita civile cominciò a insegnare nelle scuole secondarie lombarde.
Bertolini inaugurò la sua produzione storiografica nel 1920 pubblicando un articolo su La data dell'ingresso dei Longobardi in Italia (in «Bollettino della Società pavese di storia patria», 20 [1920], pp. 11-70). Nel 1923 dopo lunghe ricerche pubblica Gli Annales Beneventani. Contributo alla storia delle fonti per la storia dell'Italia meridionale nei secc. IX-XII, in «Bullettino dell'Istituto storico italiano per il medio evo e Archivio muratoriano», 42 (1923), pp. 1-163.
Nel 1924 Bertolini si trasferì a Roma, comandato come alunno della Scuola storica nazionale, insieme con Raffaello Morghen e Alfonso Gallo, e qui continuò a studiare soprattutto le fonti della Langobardia minore prendendo l'impegno di redigere l'edizione del cosiddetto Chronicon Sanctae Sophiae, più esattamente da lui chiamato Liber praeceptorum beneventani monasterii Sanctae Sophiae; pubblicò due saggi preparatori, il 1925 e il 1928, quando il lavoro sembrava prossimo al compimento. Ma esso non fu mai portato al termine voluto, sebbene Bertolini fino agli ultimi anni della sua attività continuasse a lavorarvi.
Durante il periodo di comando presso l'Istituto storico italiano, Bertolini lavorava anche per preparare, insieme con don Giovanni Battista Borino, una nuova edizione del Chronicon Cassinese. All'Istituto ebbe come compagni, oltre a Morghen e Gallo, anche Eugenio Dupré Theseider e Carlo Cecchelli.
Diventato preside nei licei, dopo gli anni di comando alla Scuola storica venne distaccato alla presidenza del Consiglio dei ministri entrando a far parte della Consulta araldica.
A Roma Bertolini ritrovò Pietro Fedele, con cui lavorò nell'università romana, all'Istituto storico italiano per il medio evo, alla Consulta araldica, attendendo allo stesso tempo alla preparazione di un'opera di lunga lena, Roma di fronte a Bisanzio e ai Longobardi. In questo periodo, dal 1929 al 1940, Bertolini pubblicò piuttosto poco: parecchie voci dell'Enciclopedia Italiana su argomenti, a lui ormai familiari, dell'altissimo medioevo, alcuni densi resoconti di congressi, e rari saggi, fra i quali è da segnalare un articolo su L'aristocrazia senatoria e il Senato di Roma come forza politica sotto i regni di Odoacre e di Teodorico (in Atti del I congresso nazionale di studi romani, 1, Roma 1929, pp. 462-475).
Conseguita la libera docenza, Bertolini aveva subito iniziato, nell'anno accademico 1927-28, i suoi corsi liberi di storia medioevale nella facoltà di lettere romana dove supplì spesso il Fedele, distratto dagli altri suoi impegni; infine, nel 1942-43 ottenne l'incarico ufficiale al posto di lui. In quegli anni Bertolini era divenuto l'effettivo maestro della medioevistica romana.
Bertolini lavorò anche con impegno nella Biblioteca Vaticana per la redazione dell'indice alfabetico unico a schede dei fondi manoscritti.
Fu inoltre segretario del Comitato italiano per le scienze storiche, e come tale contribuì - insieme con F. Chabod - a organizzare la partecipazione italiana ai grandi congressi del Comité intemational des sciences historiques a Oslo nel 1928, a Varsavia nel 1933, a Zurigo nel 1938. Il 29 aprile 1935 veniva nominato membro del Consiglio direttivo dell'Istituto storico italiano per il medio evo, insieme con  Carlo Calisse, Vincenzo De Bartholomaeis e Vincenzo Federici. Nel 1941, a Bologna (come nono volume della Storia di Roma edita dall'Istituto di studi romani), pubblicò la monumentale Roma di fronte a Bisanzio e ai Longobardi.
Portata a termine questa opera, Bertolini riprese le sue ricerche sui temi già trattati e iniziò una lunga serie di pubblicazioni su singoli temi importanti, accentuando la sua attenzione sia per le strutture organizzative sia per gli aspetti dottrinali: un lungo saggio, Per la storia delle diaconie romane nell'alto medioevo (in «Archivio della Società romana di storia patria», 70 [1947], pp. 1-45), e alcuni saggi su certi momenti nodali della storia della Chiesa di Roma, specialmente nei suoi rapporti con Bisanzio e con i Longobardi: Il primo "periurium" di Astolfo verso la Chiesa di Roma (752-753) (in «Miscellanea Giovanni Mercati», 5, Città dei Vaticano 1946, pp. 100-205); La caduta del primicerio Cristoforo (771) nelle versioni dei contemporanei e le correnti antilongobarde e filolongobarde in Roma (in «Rivista di storia della Chiesa in Italia», 1 [1947], pp. 227-262; 319-379); Il problema delle origini del potere temporale dei papi nei suoi presupposti iniziali. Il concetto di "restitutio" nelle prime cessioni territoriali alla Chiesa di Roma (756-757), in Miscellanea in onore di Pio Paschini, 1, Romae 1948, pp. 103-173.
Dopo una sfortunata partecipazione a un concorso durante l'ultima guerra mondiale, Bertolini vinse brillantemente, insieme con Ernesto Sestan e Gabriele Pepe, il concorso bandito nel 1948 dall'Università di Pisa e il 16 febbraio dell'anno seguente salì sulla cattedra di storia medievale dove rimase fino al suo collocamento fuori ruolo, avvenuto il 1° nov. 1963. Socio della Società storica pisana dal febbraio 1949, ne divenne presidente il 10 marzo 1950 e tenne questa carica fino al dicembre 1963; dal marzo 1973 ricevette la nomina di presidente onorario. Nel 1952 contribuì attivamente alla fondazione del Centro di studi sull'alto medio evo, e fino al 1972 fu uno dei più autorevoli e impegnati organizzatori delle Settimane di studio spoletine, tenendovi anche lezioni negli anni 1955, 1957, 1959, 1966-67, 1969, 1972.
Nell'ultimo periodo della sua attività (1950-1972) Bertolini non diradò la sua produzione scientifica, anzi ne estese il campo; per una quindicina d'anni preparò l'impegnativo contributo alla Storia universale diretta da Ernesto Pontieri per l'editore Vallardi: I Germani. Migrazioni e regni dell'Occidente già romano (Milano 1965). Gli approfondimenti e le rimeditazioni di Bertolini ebbero esito in due lavori di sintesi: fra il 1969 e il 1972 stese l'agile volume Roma e i Longobardi (Roma 1972). E nella settimana spoletina del 1972 egli tenne la relazione su La origine del potere temporale e del dominio temporale dei papi (edita in I problemi dell'Occidente nel sec. VIII, in Settimane di studio del Centro italiano di studi sull'alto medio evo, 6-12 aprile 1972, XX, Spoleto 1973, pp. 231-55).
Diventato presidente della Società romana di storia patria, l'ultima sua iniziativa, in questa funzione, fu la pubblicazione del libro di Pierre Toubert, Les structures du Latium médiéval (Paris 1973) del quale scrisse la prefazione.
Bertolini morì a Roma il 26 luglio 1977.

Paolo Bertolini nasce a Roma il 14 agosto 1934.
Il 2 luglio 1959 si laurea con lode in lettere presso l'Università degli studi di Roma, discutendo una tesi in storia medievale dal titolo Il ducato di Benevento dalle origini sino alla morte di Grimoaldo I. Viene successivamente abilitato all'insegnamento di lingua e letteratura italiana, storia e geografia nelle scuole di istruzione secondaria.
Nel 1961 sposa Maria Angela Mazzarotta, da cui ha una figlia, Maria Francesca nata nel 1962 e due figli, Giovanni Battista ed Emanule, nati rispettivamente nel 1965 e nel 1973. Sempre nel 1961, diventa redattore e collaboratore del Dizionario biografico degli Italiani, scrivendo alcune voci per lo stesso dizionario, per la sezione di storia medievale (1960-1962) e l'Enciclopedia dei papi.
Vincitore del concorso a cattedra nel 1960, presta servizio come straordinario di materie letterarie presso la scuola media statale "Tor Sapienza" di Roma. Successivamente è vincitore di uno dei tre posti di libero studioso presso la Scuola storica nazionale, messi a concorso nel maggio 1963, per il triennio 1 ottobre 1964-30 settembre 1967. In quegli anni collabora anche al Repertorium fontium historiae medii aevi, con la stesura di circa 80 voci. L'incarico di alunno della Scuola venne rinnovato per il triennio successivo, ovvero fino al 30 settembre 1970.
Si è occupato di tematiche relative alla storia religiosa e politica dell'Italia meridionale nell'alto medio evo, con particolare riguardo alla storia di Benevento e di Napoli.

O. BANTI, Bibliografia degli scritti di Ottorino Bertolini, in «Bollettino storico pisano», 47 (1978), pp. 23-33; P. TOUBERT - G. MICCOLI - G. ARNALDI, L'opera storica di Ottorino Bertolini, in «Archivio della Società romana di storia patria», 102 (1979), pp. 5-36; C. VIOLANTE, Ricordo di Ottorino Bertolini, in Devoti di Clio. Ricordi di amici storici, Roma 1985, pp. 55-80.C. VIOLANTE, Bertolini, Ottorino, in Dizionario biografico degli Italiani, 34, Roma 1988, pp. 390-393.