Mathis ha iniziato a recitare professionalmente all’età di 16 anni. Il suo primo lavoro fu una pubblicità per “Always Slender Pads – Just For Teens”. Ha recitato nelle serie televisive Aaron’s Way e Knightwatch dal 1988 al 1989. Il suo primo ruolo da protagonista in un film è stato quello di Nora in Pump Up the Volume (1990), di fronte a Christian Slater, che ha brevemente datato al momento. Mathis ha tinto di nero i suoi capelli biondi naturali per il ruolo nel tentativo di cambiare la sua immagine da dolce e innocente a volitiva.
Mathis è apparsa nei film per la televisione Extreme Close-up, 83 Hours ’til Dawn, e To My Daughter nel 1990. Mathis e Slater hanno avuto ruoli di voce nel film d’animazione FernGully: The Last Rainforest (1992). Successivamente è apparsa nella commedia This Is My Life (1992), scritta e diretta da Nora Ephron, interpretando un’adolescente insicura. Mathis apparve nella commedia Fortinbras a New York City nell’ottobre 1992. Super Mario Bros. (1993), in cui interpretava la principessa Daisy del popolare videogioco Nintendo, fu una bomba al botteghino ma guadagnò un seguito di culto dopo la sua uscita.
Mathis incontrò l’attore River Phoenix sul set di The Thing Called Love (1993) e i due iniziarono una relazione. Era con Phoenix il 31 ottobre 1993, la notte in cui lui morì al Cedars-Sinai Hospital per un’overdose di droga dopo essere crollato fuori dal Viper Room di West Hollywood. Ha fatto il film Jack e Sarah (1995), che è stato girato a Londra, al fine di uscire dal paese dopo la sua morte a causa dell’eccessiva copertura della stampa.
Mathis è apparsa nell’adattamento cinematografico del 1994 di Piccole donne, e in Come fare una trapunta americana (1995), entrambi con Winona Ryder. È poi apparsa in The American President (1995), interpretando l’assistente del Presidente degli Stati Uniti. La Mathis ha recitato di nuovo con Christian Slater, insieme a John Travolta, in Broken Arrow (1996) di John Woo. Ha preso poco più di un anno di pausa dalla recitazione dopo che sua madre è morta nel 1996 per un cancro al seno.
Mathis poi apparso in American Psycho (2000), un adattamento cinematografico del romanzo di Bret Easton Ellis 1991 con lo stesso nome. Ha recitato in Attraction (2000), e in The Simian Line (2001). Ha recitato nella miniserie televisiva TNT The Mists of Avalon (2001). Mathis ha recitato con Thomas Jane in The Punisher (2004). Ha avuto un ruolo da ospite nella serie televisiva della ABC Lost nel ruolo di Olivia Goodspeed. Ha interpretato la figlia di Jane Fonda nello spettacolo di Broadway “33 Variations”. Il suo film indipendente Lebanon, PA è stato presentato in anteprima mondiale al SXSW Film Festival del 2010. È apparsa in una produzione off-Broadway della commedia, Love, Loss, and What I Wore, al Westside Theatre di New York City nell’ottobre 2011.
Nel 2013, Mathis ha interpretato la psichiatra Alice Calvert nella serie televisiva CBS Under the Dome, basata su un romanzo di Stephen King. Nel 2014, si è unita al cast della serie drammatica horror FX The Strain nel ruolo di Justine Feraldo, una consigliera comunale di New York per Staten Island.
Nel 2019, Mathis è apparsa Off-Broadway nel ruolo di Kate Conlee in Make Believe, una nuova commedia di Bess Wohl messa in scena al Second Stage Theater. Michael Greif ha diretto.
Il suo musical del 2020, Whisper House, è stato rinviato a causa della pandemia COVID-19.