Après plusieurs petits boulots, Matthew Modine entame des cours de comédie et décrôche son premier rôle en 1983 dans la comédie dramatique Baby, it's you de John Sayles. Il enchaîne alors en collaborant avec Robert Altman (Streamers) mais c'est avec le Birdy d'Alan Parker et son rôle de jeune naïf traumatisé par la guerre du Vietnam qu'il conquiert à la fois public et critique.

Matthew Modine évolue alors sous la direction des plus grands metteurs en scène : il est soldat dans le Full metal jacket de Stanley Kubrick, agent du FBI dans Veuve mais pas trop, réalisé par Jonathan Demme, et Capitaine de bombardier dans le Memphis Belle de Michael Caton-Jones. Très actif, il peut aussi bien tenir la vedette d'un pur thriller (Fenêtre sur Pacifique, 1990) que participer à la réunion collective de Short Cuts (1993) pour son fidèle complice Robert Altman.

Acteur touche-à-tout, il se fait aventurier dans L' Ile aux pirates de Renny Harlin en 1995 pour, deux ans après, changer radicalement de style avec The Blackout, où il campe un acteur dépressif devant la caméra tourmentée d'Abel Ferrara. Après avoir fréquenté Une vraie blonde, il joue en 1999 un medecin sportif pour Oliver Stone et son Enfer du dimanche, réalisant dans le même temps son premier long-métrage, un thriller intitulé If... Dog... Rabbit..., dans lequel il se donne la vedette.

Après quelques rôles sur petit écran, Matthew Modine revient au cinéma en 2003 en jouant dans Le Divorce de James Ivory. Il y côtoie une pléiade de vedettes parmi lesquelles Kate Hudson, Naomi Watts et Thierry Lhermitte. En 2005, il retrouve à nouveau le réalisateur New-yorkais Abel Ferrara pour incarner un réalisateur narcissique dans le film Mary.