Mathilde Vitry débute sa carrière en 1990 dans le film de François Dupeyron Un coeur qui bat. Trois ans plus tard elle tourne aux côtés de Sophie Marceau et Vincent Perez dans la comédie de cape et d'épée Fanfan.
En 1994 elle tient un rôle dans La haine - de Mathieu Kassovitz avec Vincent Cassel.
Elle alterne cinéma et télévision, sur le petit écran on l'apperçoit notamment dans Les grandes personnes de Daniel Moosmann et Un printemps de chien.
En 1996 elle tourne sous la direction de Jean-Pierre Mocky aux côtés de Guillaume Depardieu et François Morel dans Alliance cherche doigt.
De 2000 à 2002 elle tient le rôle d'un professeur de mathématiques dans la série télé La Vie devant nous.
Après quelques apparitions au cinéma et à la télévision, elle est dirigée par Claude Lelouch dans deux volets de la trilogie Le genre humain : Les Parisiens et Le courage d'aimer.
En 2006 elle partage l'affiche du film de Charlotte de Turckeim, Les aristos avec Victoria Abril,et Hélène de Fougerolles.
Régulièrement, elle fait des apparitions dans des séries policières comme Paris, enquêtes criminelles ou Central Nuit.
