L’esordio con i grandi arriva il 22 aprile 1973 contro l’Inter. Nella stagione 73/74, alla prima giornata contro il Bologna (2-1), arriva il primo gol con la maglia giallorossa. 23 presenze nelle prime tre stagioni per Agostino, poi un anno in prestito al Lanerossi Vicenza.

Al suo ritorno nella capitale “Ago” diventa un punto fermo per la Roma. Dal 1976/77 al 1983/84 salta pochissime gare, diventando il capitano della Roma a fine anni 60. Al termine della stagione 1982/1983 la Roma vince il suo secondo scudetto nella storia.

La stagione 1983/984 è una delle più tristi per Ago, come per tutta la Roma: i giallorossi infatti perdono la finale di Coppa dei Campioni contro il Liverpool. L’anno dopo Agostino segue Liedholm al Milan con un pò di rancore nei confronti della sua amata Roma che non fece troppo per trattenerlo.

Prima di appendere gli scarpini al chiodo, Di Bartolomei indossa le maglie di Cesena e Salernitana. A soli 39 anni, il 30 maggio 1994, a 10 anni esatti di distanza dalla finale contro il Liverpool, Agostino si suicida sparandosi un colpo al cuore.