Natif de Montpellier, il grandit et passe son adolescence à Valence[1], où il rencontre le chanteur Cyrz à l'âge de trois ans. Il voulait faire du tennis et prendre la place de son idole John McEnroe mais un accident de tennis le fait changer d'avis. Pendant sa convalescence, il se met à écrire des chansons en jouant de sa guitare. Il joue ensuite en faisant la manche dans des restaurants de stations balnéaires telles La Grande-Motte ou Palavas-les-Flots.
En plus des nombreux disques et concerts de son groupe, il écrit un recueil de nouvelles (38 mini westerns avec des fantômes) et deux romans. Maintenant qu'il fait tout le temps nuit sur toi est écrit après le décès de sa mère et en l'honneur de sa sœur Lisa, et inspire l'album Monsters in love. Il est suivi le par La Mécanique du cœur, dont on retrouve des éléments de l'histoire dans l'album musical du même nom. Un film d'animation homonyme, Jack et la Mécanique du cœur, produit par Luc Besson et coréalisé par Mathias Malzieu et Stéphane Berla, est sorti le . À l'instar de l'album, Mathias Malzieu y prête sa voix à Jack, le personnage principal.
En 2007, il collabore avec le chanteur Jean Guidoni en lui écrivant une chanson intitulée Oh loup ! La même année, il participe également à la réalisation de l'album Tout n'est plus si noir... du groupe de rock français Weepers Circus, en jouant du ukulélé sur un titre.
Il écrit également des textes pour d'autres interprètes, notamment Olivia Ruiz, sa compagne[2] de 2005 à 2011. Comme il l'a fait pour celle-ci, il coréalise un album de Cali sorti en .
En 2013, Mathias est atteint d'une aplasie médullaire et est contraint de subir une greffe de moelle osseuse. Lors de son hospitalisation, il rédige un journal intime intitulé Journal d'un vampire en pyjama, qui est édité le , ainsi qu'un nouvel album homonyme[3].
En 2018, Mathias est invité à chanter sur le disque Auguste de la chanteuse française Leïla Huissoud.
Le paraît, aux éditions L'Iconoclaste son livre, écrit et illustré avec (et pour) sa compagne Daria Nelson, Le Dérèglement joyeux de la métrique amoureuse.
En octobre 2022 parait La Symphonie du temps qui passe, album réalisée aux côtés de sa compagne, Daria Nelson. L'album, arrangé par Olivier Daviaud, est illustré d'un film réalisé par Le Turk.
Livre application sur iPhone et iPad (musique originale de Dionysos, peintures animées et interactives de Frédéric P errin) - Prix du Livre Numérique 2012
(de) Ich liebe das Leben viel zu sehr. Wie ich gegen den Tod rebellierte und eine zweite Chance bekam. Trad. Sonja Finck. Carl's books, Munich 2017 (ISBN3570585697)