Mathis aloitti näyttelemisen ammattimaisesti 16-vuotiaana. Hänen ensimmäinen työnsä oli “Always Slender Pads – Just For Teens” -mainos. Hän oli mukana televisiosarjoissa Aaron’s Way ja Knightwatch vuosina 1988-1989. Hänen ensimmäinen pääroolinsa näytelmäelokuvassa oli Nora elokuvassa Pump Up the Volume (1990) vastapäätä Christian Slateria, jonka kanssa hän tuolloin seurusteli lyhyesti. Mathis värjäsi roolia varten luonnonvaaleat hiuksensa mustiksi yrittäessään muuttaa imagoaan suloisesta ja viattomasta voimakastahtoiseksi.

Mathis esiintyi vuonna 1990 televisioelokuvissa Extreme Close-up, 83 Hours ’til Dawn ja To My Daughter. Mathisilla ja Slaterilla oli äänirooleja animaatioelokuvassa FernGully: The Last Rainforest (1992). Seuraavaksi hän esiintyi Nora Ephronin kirjoittamassa ja ohjaamassa komediassa This Is My Life (1992) näyttelemässä epävarmaa teiniä. Mathis esiintyi näytelmässä Fortinbras New Yorkissa lokakuussa 1992. Super Mario Bros. (1993), jossa hän esitti Nintendon suositun videopelin prinsessa Daisya, oli kassapommi, mutta sai julkaisunsa jälkeen kulttimaineen.

Mathis tapasi näyttelijä River Phoenixin The Thing Called Love (1993) -elokuvan kuvauksissa, ja he aloittivat suhteen. Hän oli Phoenixin kanssa 31. lokakuuta 1993, yönä, jolloin Phoenix kuoli Cedars-Sinai-sairaalassa huumeiden yliannostukseen romahdettuaan West Hollywoodin Viper Roomin ulkopuolella. Hän teki Lontoossa kuvatun elokuvan Jack ja Sarah (1995) päästäkseen pois maasta Phoenixin kuoleman jälkeen liiallisen lehdistöjulkisuuden vuoksi.

Mathis esiintyi vuonna 1994 elokuvasovituksessa Pikku naiset (Little Women) ja elokuvassa Kuinka tehdä amerikkalainen tilkkutäkki (How to Make an American Quilt, 1995), joiden molempien pääosassa oli Winona Ryder. Sen jälkeen hän esiintyi elokuvassa The American President (1995), jossa hän näytteli Yhdysvaltain presidentin avustajaa. Mathis näytteli jälleen Christian Slaterin ja John Travoltan kanssa John Woon elokuvassa Broken Arrow (1996). Hän piti reilun vuoden tauon näyttelemisestä äitinsä kuoltua rintasyöpään vuonna 1996.

Mathis esiintyi myöhemmin elokuvassa American Psycho (2000), joka on filmatisointi Bret Easton Ellisin samannimisestä romaanista vuodelta 1991. Hän näytteli elokuvissa Attraction (2000) ja The Simian Line (2001). Hän näytteli TNT:n tv-minisarjassa The Mists of Avalon (2001). Mathis näytteli Thomas Janen kanssa elokuvassa The Punisher (2004). Hänellä oli vieraileva rooli ABC:n televisiosarjassa Lost Olivia Goodspeedinä. Hän näytteli Jane Fondan tytärtä Broadway-näytelmässä “33 Variations”. Hänen indie-elokuvansa Lebanon, PA sai maailman ensi-iltansa SXSW-elokuvafestivaaleilla 2010. Hän esiintyi New Yorkin Westside-teatterissa lokakuussa 2011 näytelmän Love, Loss, and What I Wore off-Broadway-tuotannossa.

Mathis näytteli vuonna 2013 psykiatri Alice Calvertia CBS:n tv-sarjassa Under the Dome, joka perustuu Stephen Kingin romaaniin. Vuonna 2014 hän liittyi FX:n kauhudraamasarjan The Strain näyttelijäkaartiin Justine Feraldona, New Yorkin Staten Islandin kaupunginvaltuutettuna.

Vuonna 2019 Mathis esiintyi Off-Broadwaylla Kate Conleen roolissa teoksessa Make Believe, joka on Bess Wohlin uusi näytelmä, joka lavastettiin Second Stage Theaterissa. Michael Greif ohjasi.

Hänen vuoden 2020 musikaali, Whisper House, lykättiin COVID-19-pandemian vuoksi.