474ème sociétaire de la Comédie-Française, Claude Mathieu est la marraine de théâtre de Guillaume Gallienne.

Elle se forme au conservatoire de Rouen et intègre le Conservatoire national supérieur d’art dramatique où elle a pour professeurs Marcel Bluwal et Antoine Vitez. Elle joue dans : La Boutique de J. Worms mis en scène par Philippe Strubelle, Jacques le Fataliste de Denis Diderot mis en scène par Alain Bezu, La Fausse Suivante de Marivaux mis en scène par B. Bonvoisin, Dom Juan revient de guerre de O. von Horvath mis en scène par Marcel Bluwal, La Double Inconstance de Marivaux mis en scène par Jacques Rosner, Fugue en mineur(e) de Pierre Léaud mis en scène par Pierre Romans, Du côté des Iles de Pierre Laville mis en scène par Jacques Rosner...

Elle entre à la Comédie Française le 1er septembre 1979 et est nommée Sociétaire le 1er janvier 1985. Elle incarne le rôle d’Elvire dans Le Cid de Corneille mis en scène par Brigitte Jaques-Wajeman, Orsola dans Il campiello de Carlo Goldoni mis en scène par Jacques Lassalle, Olga dans Place des Héros de Thomas Bernhard mis en scène par Arthur Nauzyciel, la Femme dans Le Privilège des chemins de Fernando Pessoa mis en scène par Eric Génovèse, Anne Jarvis dans Arcadia de Tom Stoppard mis en scène par Philippe Adrien, Anne dans Quatre quatuors pour un Week-end de et mis en scène par Gao Xingjian, Andromaque dans Andromaque mis en scène par Daniel Mesguich...

Pour la saison 2009-2010, elle joue dans Les affaires sont les affaires d’Octave Mirbeau, mise en scène de Marc Paquien ainsi que dans la reprise de La Grande Magie d’Eduardo de Filippo, mise en scène de Dan Jemmett.

En 2010-2011, elle joue dans Les Joyeuses Commères de Windsor de Shakespeare, m.e.s Andrès Lima, La Grande magie d'Eduardo de Filippo, m.e.s Dan Jammet et Un Fil à la patte de Georges Feydeau, m.e.s de Jérome Deschamps.

En 2011-2012, elle joue dans Peer Gynt d'Ibsen, m.e.s Éric Ruf, Erzuli Dahomey, déesse de l'amour de Jean-René Lemoine, m.e.s Éric Génovèse, Un Fil à la patte de Georges Feydeau, m.e.s de Jérome Deschamps, La Pluie d'été de Marguerite Duras, m.e.s Emmanuel Daumas.

En 2012-2013, elle joue dans Qui rapportera ces paroles ?. Candide de Voltaire, m.e.s Emmanuel Daumas et Un Fil à la patte de Georges Feydeau, m.e.s de Jérome Deschamps.

Elle travaille également sous la direction de Jean-Pierre Roussillon, Antoine Vitez, Jean-Luc Boutté, Lluis Pasqual, Patrice Kerbrat, Daniel Benoin, Alain Françon… En 2006, Claude Mathieu met en scène Saint François le Divin Jongleur de Dario Fo avec Guillaume Gallienne, 2009 elle signe la mise en scène du spectacle d’Agathe de la Boulaye Le Monde selon Bulle et en 2010 celle de Les garçons et Guillaume, à table !. Elle joue également dans Fantasio d'Alfred de Musset mis en scène par Denis Podalydès.