В июне 1993 года назначен командиром группы управления минно-торпедной боевой части, а в феврале 1994 года — командиром торпедной группы минно-торпедной боевой части АПЛ Б-50211-й дивизии подводных лодокСеверного флота. С сентября 1994 года занимал пост командира минно-торпедной боевой части, а с января по октябрь 1997 года был помощником командира АПЛ К-410 «Смоленск». В 1998 году окончил Высшие специальные офицерские классы ВМФ. С июля 1998 года был помощником командира, с апреля 2000 года — старшим помощником командира, а с мая 2004 года по сентябрь 2007 года находился на должности командира АПЛ К-266 «Орёл»[1]. Выходил в море на АПЛ К-141 «Курск», на борту госпитального судна «Свирь» был на месте гибели подлодки[4].
В декабре 2014 года капитан 1-го ранга Варфоломеев был назначен на должность командира 11-й дивизии подводных лодок[6]. Одновременно стал начальником Заозёрскогогарнизона[5]. Дивизия под командованием Варфоломеева неоднократно входила в число лучших соединений Северного флота[7][8].