Sarah Barthélemy est docteure en histoire, art et archéologie (Université de Louvain) et en histoire et civilisations (École des Hautes Études en Sciences Sociales) (2013-2019).
Sa thèse de doctorat, consacrée à des femmes "jésuites", porte sur la construction d’identités de genre dans le contexte des congrégations religieuses féminines à vocation apostolique, replacé dans une perspective de longue durée partant du XVIIe siècle. Une dimension importante de ses recherches s’intéresse à la construction de la sainteté féminine aux XIXe et XXe siècles.
Elle est Professeure invitée à l'Université Saint-Louis Bruxelles (USLB) depuis 2020.