Né à Lens, Mathias Mlekuz fait ses armes sur les planches dès 1986 avant de faire sa première apparition sur grand écran dix ans plus tard dans La Divine poursuite de Michel Deville puis chez Leos Carax dans Pola X. En 2000, il joue dans Les Acteurs anonymes de Benoît Cohen avec qu'il il tournera régulièrement. Le succès de Nos enfants chéris en 2002 assoit d'ailleurs leur collaboration et il se forge au passage un personnage de parvenu non dénué d'une certaine sensibilité à qui il fera appel à plusieurs reprises.

S'il se fait aussi un nom sur le petit écran (Avocats & Associés, Nos enfants chéris), il participe aussi à des projets de grande ampleur comme Un Américain bien tranquille de Phillip Noyce où il fait la rencontre de Michael Caine. Se distinguant souvent dans les comédies, il devient l'un des seconds rôles à suivre du cinéma français (Deux jours à tuer, Pars vite et reviens tard...) En 2009, il donne ainsi la réplique à François-Xavier Demaison dans Divorces de Valérie Valérie Guignabodet.

On le voit ensuite dans La Conquête, Plan de table et Bowling. Également actif à la télévision, l'acteur joue dans les séries Nicolas Le Floch, Qu'est-ce qu'on attend pour être heureux ? et surtout Missions, où il interprète le milliardaire suisse William Meyer. En 2020, Mathias passe à la mise en scène avec Mine de rien, une comédie sociale avec Arnaud Ducret. Cinq ans plus tard, il livre À bicyclette !, un road movie drôle et émouvant dans lequel il donne la réplique à quelqu’un qu'il connait bien : Philippe Rebbot.