W październiku 2009 roku Bartłomiej Witkowski podjął pracę oraz rozpoczął studia doktoranckie w Instytucie Fizyki PAN, z którym od tamtego czasu związana jest jego kariera naukowa. Stopień doktora nauk fizycznych otrzymał w styczniu 2014 roku na podstawie rozprawy doktorskiej „Hydrotermalna technologia otrzymywania nanosłupków ZnO”, pod kierunkiem prof. Marka Godlewskiego. W 2019 roku uzyskał stopień doktora habilitowanego w dziedzinie nauk ścisłych i przyrodniczych w dyscyplinie nauk fizycznych na podstawie osiągnięcia „Rozwój technologii wzrostu, analiza właściwości optycznych nano/mikrosłupków ZnO oraz przykłady ich zastosowania w fotorezystorze i ogniwach fotowoltaicznych”, a w lutym 2025 roku otrzymał tytuł naukowy profesora w dyscyplinie nauki fizyczne.
Praca naukowa Bartłomiej Witkowski jest współautorem ponad 170 publikacji naukowych oraz kilkudziesięciu patentów i zgłoszeń patentowych. Wypromował jedną pracę doktorską w roli promotora (Monika Ożga) oraz 2 prace doktorskie w roli promotora pomocniczego (Rafał Pietruszka, Agnieszka Pieniążek). Brał udział jako kierownik lub wykonawca w dziesiątkach projektów naukowych. Od 2022 roku kieruje Zespołem Fizyki Nanostruktur Tlenkowym, a od 2024 roku pełni funkcję Zastępcy Dyrektora ds. Naukowych w Instytucie Fizyki PAN.