Tetranematichthys barthemi é descrita para a foz do rio Trombetas e tributários correspondentes (rios Saracá e Araticum), e rio Urubu, tributário do rio Amazonas. Tetranematichthys barthemi compartilha com seus congêneres (T. wallacei e T. quadrifilis) o alinhamento anterior dos barbilhões mandibulares e a porção do músculo protrator hióide ligado ao mesmo barbilhão bem desenvolvida. Distingue-se destas espécies por apresentar a porção distal do barbilhão mandibular serreada na margem anterior, diferente do estado, mais derivado, observado em seus congêneres, com conspícuas digitalizações na porção distal. Distingue-se, também, de cada uma das espécies por conjuntos de caracteres combinados relacionados à morfometria e padrão de coloração. Comentários sobre dimorfismo sexual, modificações das extremidades do barbilhão mandibular e de relacionamento interespecíficos são apresentados.
