Diplômé de l'école Vaugirard-Louis Lumière en 1972, Mathias Ledoux travaille comme caméraman à la télévision. Encouragé par Jean-Christophe Averty et les Carpentier, il passe à la réalisation.

Il exporte alors son savoir-faire vers d'autres domaines : documentaires, séries, génériques et captations de spectacles vivants. Il filme notamment des émissions d'Objectif nul (1986), les cérémonies d'ouverture et de clôture des Jeux Olympiques d'Albertville (1992), les concerts Vanessa Paradis à l'Olympia (1993) et Ben Harper in Bercy (2000), et met en scène les documentaires Warhol, nothing special (1990) et Le Cinéma de Roman Polanski (2000). Il participe également au lancement de Canal + et de M6 dont il crée les habillages.

Parallèlement, Mathias Ledoux se consacre au cinéma en réalisant des courts métrages (Les Yeux en face des trous, Le Retour et Le Maître chanteur, nominé aux Césars 1987) puis un premier long métrage intitulé En face (2000). Jean-Hugues Anglade et Clotilde Courau y interprètent un couple héritant d'un cadeau empoisonné : un hôtel particulier à Montmartre. Pour son second film, Une souris verte... (2003), il devient également producteur et dirige un casting international composé d'Edward Furlong, Emilia Fox et d'Elsa Zylberstein.