Mathis začala profesionálně hrát v 16 letech. Její první prací byla reklama na “Always Slender Pads – Just For Teens”. V letech 1988-1989 hrála v televizních seriálech Aaronova cesta a Knightwatch. Její první hlavní rolí v celovečerním filmu byla role Nory ve filmu Pump Up the Volume (1990) po boku Christiana Slatera, se kterým v té době krátce chodila. Mathisová si pro tuto roli obarvila své přírodní blond vlasy na černo ve snaze změnit svou image ze sladké a nevinné na silnou vůli.

Mathisová se v roce 1990 objevila v televizních filmech Extrémní přiblížení, 83 hodin do úsvitu a To My Daughter. Mathis a Slater měli hlasové role v animovaném filmu FernGully: (The Last Rainforest, 1992). Dále se objevila v komedii Tohle je můj život (1992), kterou napsala a režírovala Nora Ephronová, kde hrála nejistou teenagerku. V říjnu 1992 se Mathisová objevila ve hře Fortinbras v New Yorku. Film Super Mario Bros (1993), v němž si zahrála princeznu Daisy z populární videohry od Nintenda, byl kasovní bombou, ale po svém uvedení si získal kultovní oblibu.

Mathis se při natáčení filmu Věc jménem láska (1993) seznámila s hercem Riverem Phoenixem a navázali spolu vztah. Byla s Phoenixem 31. října 1993, v noc, kdy zemřel v nemocnici Cedars-Sinai na předávkování drogami poté, co zkolaboval před barem Viper Room v západním Hollywoodu. Natočila film Jack a Sarah (1995), který se natáčel v Londýně, aby se po jeho smrti dostala ze země kvůli nadměrné pozornosti tisku.

Mathis se objevila ve filmové adaptaci Malých žen z roku 1994 a ve filmu Jak ušít americkou deku (1995), v obou hrála Winona Ryder. Poté se objevila ve filmu Americký prezident (1995), kde hrála asistentku prezidenta Spojených států. Mathisová si opět zahrála s Christianem Slaterem spolu s Johnem Travoltou ve filmu Johna Woo Zlomený šíp (1996). Po smrti své matky, která v roce 1996 zemřela na rakovinu prsu, si vzala na něco málo přes rok hereckou pauzu.

Mathis se později objevila ve filmu Americké psycho (2000), adaptaci stejnojmenného románu Breta Eastona Ellise z roku 1991. Zahrála si také ve filmu Přitažlivost (2000) a ve snímku The Simian Line (2001). Zahrála si v televizní minisérii TNT The Mists of Avalon (2001). Mathisová si zahrála s Thomasem Janeem ve filmu Punisher (2004). Hostovala v seriálu televize ABC Ztraceni v roli Olivie Goodspeedové. Hrála dceru Jane Fondové v broadwayském představení “33 variací”. Její nezávislý film Lebanon, PA měl světovou premiéru na filmovém festivalu SXSW 2010. V říjnu 2011 se objevila v mimobroadwayské inscenaci hry Love, Loss, and What I Wore v newyorském Westside Theatre.

V roce 2013 hrála Mathisová psychiatričku Alici Calvertovou v seriálu televize CBS Under the Dome, natočeném podle románu Stephena Kinga. V roce 2014 se připojila k hereckému obsazení hororového seriálu stanice FX The Strain jako Justine Feraldo, newyorská radní za Staten Island.

V roce 2019 se Mathisová objevila mimo Broadway v roli Kate Conleeové ve hře Make Believe, nové hře Bess Wohl nastudované v divadle Second Stage. Režie se ujal Michael Greif.

Její muzikál Whisper House z roku 2020 byl odložen kvůli pandemii COVID-19.