Il naquit à Lisbonne le 3 mai 1514. Enfant très pieux, il entra dans l’Ordre des Frères Prêcheurs en 1527. Après avoir été ordonné prêtre et avoir terminé ses études, il enseigna la théologie au couvent dominicain de Lisbonne, puis dans d’autres monastères de l’ordre, notamment à Batalha et Evora. En 1557, il fut nommé prieur du couvent dominicain de Benfica.

Après avoir été le précepteur d’un petit-fils du roi Manuel Ier du Portugal, il fut nommé en 1558 archevêque de Braga à la demande de la reine Catherine. Cette nomination fut confirmée quelques temps plus tard par le pape Paul IV.

En 1561, il se rendit à Trente pour participer aux dernières sessions du concile. Particulièrement respecté par ses pairs tant en raison de sa sainteté que de sa science, il travailla beaucoup avec saint Charles Borromée, et fit de nombreuses propositions notamment quant à la réforme de la vie ecclésiastique.

De retour à Braga au début de l’année 1564, il s’attacha à diffuser les réformes du concile pour rétablir la discipline ecclésiastique ; il fit se réunir à cet effet un synode provincial en 1567. Il montra encore toute l’étendue de sa charité envers ses ouailles à l’occasion d’une famine et d’une épidémie de peste.

Le 20 février 1582, après l’avoir plusieurs fois demandée, Barthélemy des Martyrs obtint du pape Grégoire XIII l’autorisation de démissionner de sa charge et de se retirer dans un couvent dominicain à Viana do Castelo, dans le nord du Portugal. Il y donna encore des cours de théologie et y mourut le 16 juillet 1590. Il fut canonisé par le pape François par canonisation équipollente le 5 juillet 2019.