Après l’Ecole centrale de Lyon (promo 1990), Antoine Mathieu se  forme à l’école de théâtre du TNS dont il sort en 1995. Dès lors, il travaille avec les plus grands metteurs en scène parmi lesquels, citons : Alain Françon (Edouard II de Christopher Marlowe ; Les petites Heures d’Eugène Durif ; Petit Eyolf d’Henrik Ibsen, Le Temps et la chambre de Botho Strauss présenté au Théâtre du Nord en 2017 …) et aujourd’hui Kolik de Rainer Goetz. Mais aussi : Stéphane Braunschweig (Vêtir ceux qui sont nus de Pirandello, L’Enfant rêve d’Hanokh Levin, Les trois Sœurs d’Anton Tchekhov) ;  André Engel (La double Mort de l’horloger d’Odon Von Horwath) ; Jean-Louis Martinelli (Platonov de Tchekhov ; Catégorie3.1 de Lars Noren ; Joël Jouanneau (Juste fin la monde de Jean-Luc Lagarce et Pitt-Bull de Lionel Spycher ; Charles Tordjman (Vers toi Terre promise de Jean-Claude Grumberg et Le Retour de Sade de Bernard Noël et puis aussi plus récemment, il joue dans Retour à Reims de Laurent Hatat et dans Ceux qui restent de David Lescot  présenté au Théâtre du Nord,  printemps 2016.

Antoine Mathieu intervient au CNSAD (2017) dans deux ateliers : Platonov de Tchekhov auprès des élèves de 1ere année et pour une lecture de Retour à Reims de Didier Eribon auprès des élèves de 2^e année.
On le voit aussi régulièrement au cinéma : Je voudrais que quelqu’un m’attende quelque part d’Arnaud Viard (2017) ; Diane a les épaules de Fabien Gorgeart (2016), Le Système de Ponzi de Dante Desarthe (2013), Birdpeople de Pascale Ferran (2012), etc. Et à la télévision, notamment dans la série Un Village français (206-2012-2011).