Fils du réalisateur Peter Kassovitz (Droles d'oiseaux !, 1993, Jakob le menteur, 1999), Mathieu Kassovitz fait ses débuts à l'écran dans l'un des films de son père, Au bout du bout du banc (1978). Il apparaît la même année dans L'Année prochaine... Si tout va bien, aux côtés d'Isabelle Adjani.
Il fait ses débuts de réalisateur avec le court métrage Fierrot le pou (1990), qui sera suivi de deux autres courts puis de son premier long en 1993, Metisse, dans lequel il interprète également l'un des rôles principaux. Par la suite, il continue de faire l'acteur, dans la série des 3000 scénarios contre un virus (dans le court métrage Avant... mais apres de Tonie Marshall) ou dans Regarde les hommes tomber (1994), de Jacques Audiard, aux côtés de Jean-Louis Trintignant et Jean Yanne. Il retrouvera le metteur en scène deux ans plus tard pour Un héros très discret.
Entre temps, il aura créé l'événement avec La Haine (1995), qui remporte le Prix de la mise en scène à Cannes et lui rapporte trois César, dont celui du Meilleur film. Jodie Foster elle-même soutient le film lors de sa sortie américaine. Pamphlet qui dénonce les bavures policières, le film est très mal reçu par les forces de l'ordre et génère une controverse. La Haine sera suivi en 1997 par une réalisation elle aussi polémique, Assassin(s), où, apprenti tueur, il donne la réplique à Michel Serrault. Le film, présenté à Cannes, est un échec public et critique. La même année, il fait une apparition dans Le Cinquième élément, de Luc Besson. On le retrouve en 2000 comme réalisateur avec Les Rivières Pourpres, qui réunit Jean Reno et Vincent Cassel, et comme acteur chez Jean-Pierre Jeunet dans Le Fabuleux destin d'Amélie Poulain. En 2002, il est à l'affiche de Nadia aux côtés de Nicole Kidman et tient la vedette d'Amen. de Costa-Gavras, tout en s'autorisant une courte apparition dans le Astérix et Obélix : mission Cléopâtre d'Alain Chabat.
En 2003, contacté par le producteur Joel Silver (la saga Matrix), Mathieu Kassovitz fait ses grands débuts américains sous l'égide de la société Dark Castle avec le thriller Gothika dans lequel il dirige Halle Berry et Penélope Cruz. Après avoir déclaré qu'il s'était retiré du métier d'acteur pour se consacrer plus particulièrement à son travail de metteur en scène, et, qu'il faudrait au moins Steven Spielberg, pour lui donner envie d'être à nouveau de l'autre côté de la caméra, il tourne en 2005 dans Munich aux cotés de son cinéaste fétiche. Kassovitz y interprète un agent du Mossad. Il fait également de courtes apparitions dans Avida (2005) ou Louise-Michel (2008) et produit quelques films pour d'autres comme Nèg Maron (2004) de Jean-Claude Flamand Barny ou Johnny Mad Dog (2007) de Jean-Stéphane Sauvaire. Il développe ensuite un projet de science-fiction, adapté de l'oeuvre de Maurice G. Dantec. Le film, sorti en 2008, s'intitule Babylon A. D.. Au casting figurent Vin Diesel, Mélanie Thierry, Michelle Yeoh, Charlotte Rampling, Lambert Wilson et Gérard Depardieu. En 2011, il prête sa voix pour le doublage d'une oeuvre d'animation, The Prodigies.
Il est également à l'affiche de L'Ordre et la morale, réalisé sous sa direction. Il s'agit d'un drame historique qui relate les tragiques événements survenus sur une île de la Nouvelle Calédonie en 1988. Kassovitz y tient l'un des rôles principaux.
