Acteur allemand parlant couramment le français, Mathieu Carrière débute au cinéma à l’âge de 13 ans. Il connaît le succès grâce à sa prestation dans Les désarrois de l’élève Torless, chef-d’œuvre de Volker Schlondorff (1966). Dans les années 70, il ne tourne que pour des auteurs ambitieux, dans un cinéma d’auteur étrange.

On le voit dans Malpertuis (Kumel, 1971), Rendez-vous à Bray (Delvaux, 1972), Don Juan 73 (Vadim, 1973), Giordano Bruno (Montaldo, 1973), India Song (Duras, 1975), Police Python 357 (Corneau, 1976), Bilitis (Hamilton, 1977), La femme de l’aviateur (Rohmer, 1980), La passante du Sans-Souci (Rouffio, 1982), Benvenuta (Delvaux, 1983), Cérémonie d’amour (Borowczyk, 1987), L’œuvre au noir (Delvaux, 1987), Malina (Schroeter, 1991).

A partir des années 90, même s’il continue de jouer dans quelques films, il se consacre surtout à la télévision et au théâtre. Il a également réalisé Zugzwang en 1989.