Mathis rozpoczęła profesjonalne aktorstwo w wieku 16 lat. Jej pierwszą pracą była reklama dla “Always Slender Pads – Just For Teens”. W latach 1988-1989 występowała w serialach telewizyjnych “Aaron’s Way” i “Knightwatch”. Jej pierwszą rolą w filmie fabularnym była postać Nory w Pump Up the Volume (1990), naprzeciwko Christiana Slatera, z którym w tym czasie krótko się spotykała. Mathis farbowane jej naturalne blond włosy czarne do roli w wysiłkach, aby zmienić jej wizerunek od słodkie i niewinne do silnej woli.

Mathis pojawił się w filmach telewizyjnych Extreme Close-up, 83 Hours ’til Dawn, i To My Daughter w 1990 roku. Mathis i Slater mieli role głosowe w filmie animowanym FernGully: The Last Rainforest (1992). Następnie wystąpiła w komedii This Is My Life (1992), napisanej i wyreżyserowanej przez Norę Ephron, w której zagrała niepewną siebie nastolatkę. W październiku 1992 roku Mathis wystąpiła w sztuce Fortinbras w Nowym Jorku. Super Mario Bros. (1993), w którym zagrała księżniczkę Daisy z popularnej gry wideo Nintendo, była bombą kasową, ale zyskała kultowe naśladownictwo od czasu jej release.

Mathis poznała aktora River Phoenix na planie filmu The Thing Called Love (1993) i dwa zaczęły związek. Była z Phoenixem 31 października 1993 roku, w noc, kiedy zmarł w Cedars-Sinai Hospital z powodu przedawkowania narkotyków po upadku poza West Hollywood’s Viper Room. Zrobiła film Jack i Sarah (1995), który został nakręcony w Londynie, aby wydostać się z kraju po jego śmierci z powodu nadmiernej relacji prasowej.

Mathis pojawił się w 1994 filmowej adaptacji Małych kobietek, a także w Jak zrobić amerykańską kołdrę (1995), obie z udziałem Winony Ryder. Następnie pojawiła się w filmie The American President (1995), grając asystentkę prezydenta Stanów Zjednoczonych. Mathis ponownie wystąpiła u boku Christiana Slatera i Johna Travolty w filmie Johna Woo Broken Arrow (1996). Wzięła trochę ponad rok przerwy od działania po jej matka zmarła w 1996 roku na raka piersi.

Mathis później pojawił się w American Psycho (2000), filmowej adaptacji Bret Easton Ellis’s 1991 powieści o tej samej nazwie. Wystąpiła w filmie Attraction (2000), oraz w The Simian Line (2001). Wystąpiła w miniserialu telewizyjnym TNT The Mists of Avalon (2001). Mathis zagrała u boku Thomasa Jane’a w filmie The Punisher (2004). Wystąpiła gościnnie w serialu ABC Zagubieni jako Olivia Goodspeed. Zagrała córkę Jane Fondy w broadwayowskim spektaklu “33 Variations”. Jej film Lebanon, PA miał swoją światową premierę na Festiwalu Filmowym SXSW w 2010 roku. Wystąpiła w off-Broadwayowskiej produkcji sztuki “Love, Loss, and What I Wore” w nowojorskim Westside Theatre w październiku 2011 roku.

W 2013 roku Mathis zagrała psychiatrę Alice Calvert w serialu telewizyjnym CBS “Under the Dome”, opartym na powieści Stephena Kinga. W 2014 roku dołączyła do obsady serialu grozy FX The Strain jako Justine Feraldo, nowojorska radna ze Staten Island.

W 2019 roku Mathis pojawiła się na Off-Broadwayu w roli Kate Conlee w Make Believe, nowej sztuce Bess Wohl wystawionej w Second Stage Theater. Michael Greif wyreżyserował.

Jej musical z 2020 roku, Whisper House, został przełożony z powodu pandemii COVID-19.

.