Conservateur au musée des Beaux-Arts de Quimper de 1991 à 2000, Sophie Barthélémy est depuis janvier 2001 en poste au musée des Beaux-Arts de Dijon où elle s’occupe des collections de peintures du XIXe siècle et de l’art contemporain.
Responsable du service éducatif du musée des Beaux-Arts de Quimper et, actuellement, référent scientifique pour l’action culturelle du département des publics au musée de Dijon, elle a assuré de nombreuses formations d’histoire de l’art à destination du corps enseignant et participé à la conception ainsi qu’à l’écriture de plusieurs publications pédagogiques.