Mathis 16 éves korában kezdett hivatásszerűen színészkedni. Első munkája az “Always Slender Pads – Just For Teens” reklámja volt. Társszereplője volt az Aaron’s Way és a Knightwatch című televíziós sorozatoknak 1988 és 1989 között. Első nagyjátékfilmes főszerepe Nora volt a Pump Up the Volume (1990) című filmben, Christian Slaterrel szemben, akivel akkoriban rövid ideig járt. Mathis a szerep kedvéért feketére festette természetes szőke haját, hogy imázsát édes és ártatlanról erős akaratúvá változtassa.
Mathis 1990-ben szerepelt az Extreme Close-up, a 83 Hours ’til Dawn és a To My Daughter című tévéfilmekben. Mathis és Slater szinkronszerepet kapott a FernGully című animációs filmben: Az utolsó esőerdő (1992) című filmben. Legközelebb a Nora Ephron által írt és rendezett This Is My Life (1992) című vígjátékban tűnt fel, ahol egy bizonytalan tinédzsert alakított. Mathis 1992 októberében a New York-i Fortinbras című darabban lépett fel. A Super Mario Bros. (1993), amelyben Daisy hercegnőt alakította a Nintendo népszerű videojátékából, kasszasiker volt, de megjelenése óta kultikus rajongótáborra tett szert.
Mathis a The Thing Called Love (1993) forgatásán találkozott River Phoenix színésszel, és kettejük kapcsolata elkezdődött. Phoenixszel volt 1993. október 31-én, azon az éjszakán, amikor a férfi a Cedars-Sinai Kórházban kábítószer-túladagolásban meghalt, miután összeesett a nyugat-hollywoodi Viper Room előtt. A Jack és Sarah (1995) című filmet Londonban forgatta, hogy a férfi halála után a túlzott sajtóvisszhang miatt elhagyja az országot.
Mathis szerepelt a Little Women 1994-es filmadaptációjában, valamint a How to Make an American Quilt (1995) című filmben, mindkettőben Winona Ryder főszereplésével. Ezután feltűnt az Amerikai elnök (1995) című filmben, ahol az Egyesült Államok elnökének asszisztensét alakította. Mathis ismét együtt játszott Christian Slaterrel, John Travolta mellett John Woo Broken Arrow című filmjében (1996). Kicsit több mint egy év szünetet tartott a színészkedésben, miután édesanyja 1996-ban mellrákban meghalt.
Mathis később szerepelt az Amerikai pszicho (2000) című filmben, amely Bret Easton Ellis 1991-es, azonos című regényének filmadaptációja. Szerepelt a Attraction (2000) és a The Simian Line (2001) című filmekben. Szerepelt a TNT televíziós minisorozatában, az Avalon ködében (The Mists of Avalon, 2001). Mathis Thomas Jane oldalán szerepelt a The Punisher (2004) című filmben. Vendégszerepet kapott az ABC Lost című televíziós sorozatában Olivia Goodspeed szerepében. Jane Fonda lányát alakította a “33 variáció” című Broadway-showban. Lebanon, PA című indie filmjének világpremierje a 2010-es SXSW Filmfesztiválon volt. 2011 októberében szerepelt a New York-i Westside Színházban a Love, Loss, and What I Wore című darab off-Broadway produkciójában.
2013-ban Mathis játszotta Alice Calvert pszichiátert a CBS Under the Dome című televíziós sorozatában, amely Stephen King regénye alapján készült. 2014-ben csatlakozott az FX The Strain című horror drámasorozatának szereplőgárdájához, mint Justine Feraldo, New York város Staten Island-i tanácsosa.
2019-ben Mathis Off-Broadway-en tűnt fel Kate Conlee szerepében a Make Believe című darabban, amelyet Bess Wohl új darabja állított színpadra a Second Stage Theaterben. Michael Greif rendezte.
A 2020-as musicaljét, a Whisper House-t a COVID-19 világjárvány miatt elhalasztották.