Mathilda May est la fille du dramaturge Victor Haïm, d'origine gréco-turque, et de Margareta Hanson, professeur de ballet et chorégraphe suédoise.
Elle gagne le premier prix du Conservatoire national supérieur de musique et de danse de Paris à l'âge de 16 ans. En 1989, elle remporte le prix Romy Schneider.
Mathilda May a été mariée et divorcée deux fois, :
- une première fois avec Paul Powell (1991-1993) ;
- une seconde fois avec Philippe Kelly.
- Elle a vécu cinq ans avec Gérard Darmon dont elle a eu deux enfants.
- Sa soeur est l'actrice Judith Réval.
Mathilda May s'est tout d'abord fait connaître dans des films en français à destination du marché européen avant de jouer hors d'Europe dans des films comme Lifeforce (1985), Naked Tango (1991), ou Becoming Colette (1991). Elle a également prêté sa voix à Pocahontas dans la version française du film d'animation Pocahontas, une légende indienne produit par
Walt Disney.
Aux États-Unis, elle est surtout connue pour son personnage secondaire d'Isabella dans Le Chacal avec
Richard Gere et
Bruce Willis ou ses scènes de nu dans Lifeforce.
En 1992, Mathilda May fait l'objet d'une chanson du groupe Les Musclés. Le refrain était le suivant : « Mathilda May / Si tu entends notre chanson / On t'attend tous à la maison / On a acheté du saucisson. »