Matthias Mayer startet seine Karriere beim SC Gerlitzen, für den auch Nadine Fest an den Start geht.  Der Kärntner konnte sich durch gute Leistungen im Nachwuchsbereich für den Kader des ÖSV empfehlen und ging am 22. Februar 2009 in Sestriere erstmals im Weltcup an den Start.  Kitzbühel sollte bereits 2013 zu einem besonderen Ort für den sympathischen Affritzer werden. Dort stand er erstmals im Weltcup auf dem Podium und wurde im Hahnenkamm-Super-G Zweiter.

Bei den Olympischen Winterspielen 2014 in Sotschi gelang unserem Mothl sein bisher größter Erfolg: Ohne je zuvor ein Weltcuprennen gewonnen zu haben, holte er sich hauchdünn die Goldmedaille in der Abfahrt und reihte sich neben ÖSV-Größen wie Toni Sailer und Franz Klammer ein. Wenige Wochen nach dem Gold-Triumph gelang ihm in Lenzerheide beim Saisonfinale auch sein erster Weltcupsieg in der Abfahrt.

Die beiden folgenden Saisonen konnte Mayer jeweils nicht komplett bestreiten, da ihn zwei Verletzungen zurückwarfen. Dennoch sicherte er sich am Heim-Wochenende in Saalbach-Hinterglemm sowohl einen Abfahrts- als auch einen Super-G-Sieg. Seine „Comeback“-Saison 2016/17 krönte er mit dem Gewinn der Goldenen Gams für den Sieg im Super-G von Kitzbühel.

Bei den Olympischen Spielen in Pyeongchang krönte sich Mothl im Super-G zum Doppelolympiasieger. Im Jahr 2022 gelang ihm dann das Triple: Denn in Peking krönte er sich zum dritten Mal zum Olympiasieger (Super-G) und holte zudem Bronze in der Abfahrt.  

Im Dezember 2022 erklärte der dreifache Olympiasieger nach elf Weltcupsiegen seinen Rücktritt, blieb dem österreichischen Skisport aber erhalten.