Dès l'enfance, Mathieu Demy est plongé dans le monde du septième art grâce à ses parents, Agnès Varda et Jacques Demy. A cinq ans, il participe d'ailleurs à L'une chante, l'autre pas, réalisé par sa mère. Mais c'est en 1987 que débute véritablement sa carrière cinématographique avec Kung Fu Master, où il interprète un passionné de jeux vidéo face à Jane Birkin.En 1993, Mathieu Demy décroche son premier rôle principal dans le long-métrage A la belle étoile. Il se révèle au grand public cinq ans plus tard grâce à son interprétation de jeune séropositif dans la comédie musicale Jeanne et le garcon formidable, premier film de Jacques Martineau et Olivier Ducastel où il donne la réplique à Virginie Ledoyen. Le comédien apparaît ensuite dans La Chambre obscure, Dieu est grand, je suis toute petite, est l'un des Acteurs anonymes de Benoît Cohen puis devient à l'écran Le Nouveau Jean-Claude du dessinateur Didier Tronchet. En 2003, il retrouve Benoît Cohen pour Nos enfants chéris et tient la vedette de Mister V. L'année suivante, il tourne aux côtés de Natacha Régnier dans Le Silence, un drame psychologique signé Orso Miret.
