Après des études de mathématiques, Mathilde Mignon réalise son premier court métrage, Le temps des corbeaux en 1986 (prod Cercle Bleu) puis entame des études de cinéma à l'INSAS à Bruxelles. Dès son court métrage de fin d'études Sept alphabets pour une seule mer sorti en 1993 et primé dans divers festivals, elle s'engage dans le cinéma documentaire.
Elle réalise alors : Folles mémoires d’un caillou (1998, 59', prod. Les Films d’Ici), Une étoile et moi (2001, 58', prod. Lapsus), Dehors (2006, 59', prod. Lapsus), Femmes au charbon (2009, 58', prod. Mille et Une Films), La terre et le temps (2017, 54', prod. Mille et Une Films) primé au Festival international du film documentaire sur la ruralité Caméra des Champs 2018.
Elle enchaîne avec un portrait du musicien chanteur Sanseverino, cordes et âme, produit par Céline Loiseau, TS Production.
Elle écrit également le scénario de Judith ou les démons, son premier long métrage de fiction, produit par Gilles Padovani, Mille et Une Films.
Depuis 2010, elle est responsable d’ateliers documentaires au sein de l’UFR de Cinéma à Paris 7 Diderot et en Hypokhâgne Lettres-Cinéma au lycée Paul Valéry, Paris 12e.
Elle est co-fondatrice de Questions de Regard, un collectif d'artistes impliqués dans des travaux artistiques collectifs, et y a co-réalisé entre 2000 et 2016 des films courts, notamment avec des adolescents détenus.
Son film La terre et le temps est à voir sur KuB.