Né à Darby, en Pennsylvanie, dans une famille quaker, Bartram a montré un intérêt pour l’histoire naturelle dès son plus jeune âge. Considéré comme le premier botaniste américain, bien qu’il se soit dit agriculteur, en 1728, il a acheté une ferme de 102 acres sur la rivière Schuylkill et a consacré un terrain de cinq acres comme jardin botanique, le plus ancien du pays. Quatre ans plus tard, Bartram entame une correspondance avec Peter Collinson, marchand londonien et botaniste amateur. Bartram a commencé un commerce transatlantique de graines et de plantes avec Collinson, transformant son jardin botanique en pépinière commerciale et publiant le premier catalogue de pépinières aux États-Unis en 1783. Sa relation avec Collinson l’expose à de grands intellectuels et mécènes en Europe, notamment Phillip Miller, auteur du Dictionnaire du jardinier, et Carl Linné, entre autres.
En tant que figure de proue de la société de Philadelphie, Bartram a joué un rôle déterminant dans la fondation de l’American Philosophical Society avec Benjamin Franklin en 1743. Son commerce international et sa correspondance lui valent d’être nommé botaniste royal du roi George III en 1765. Avec l’argent qu’il a gagné dans son nouveau rôle, Bartram a fait sa plus longue expédition, à travers les Carolines et la Géorgie jusqu’à St. Augustine, en Floride. Son entreprise de pépinières s’est développée et a prospéré, lui survivant de trois générations. Entre 1734 et sa mort en 1777, Bartram aurait introduit plus de 150 espèces de plantes nord-américaines en Europe.