Mathias commence sa carrière en interprétant le présentateur TV dans le drame Pola X de Léo Carax (1999). Deux ans plus tard, il joue dans Acteurs Anonymes, puis décroche un petit rôle dans le thriller Demonlover d'Olivier Assayas.
Dans les années 2000, le comédien enchaîne les participations aux comédies comme Nos enfants chéris de Benoît Cohen, L'Américain de Patrick Timsit avec Lorànt Deutsch ou encore Brice de Nice de James Huth, où il incarne un avocat. On le voit également dans Qui m'aime me suive de Benoît Cohen avec Mathieu Demy.
En 2007 Mathias Mlekuz est occupé : il incarne un archéologue dans le thriller Pars vite et reviens tard, joue dans la comédie Cherche fiancé tous frais payés, puis le drame La promeneuse d'oiseau et la comédie fantastique Les Deux Mondes.
On le retrouve en 2008 aux côtés d'Albert Dupontel dans le drame existentiel Deux jours à tuer, puis dans la comédie 48 heures par jour de Catherine Castel. En 2009, il est dans Commis d'office, le premier film d'Hannelore Cayre, et dans la comédie Divorces de Valérie Guignabodet.
