Mathilda May est la fille du dramaturge Victor Haïm, d'origine gréco-turque, et de Margareta Hanson, professeur de ballet et chorégraphe suédoise1. Elle est élève du Conservatoire national supérieur de musique et de danse de Paris dans la classe de danse classique de Christiane Vaussard.

Elle se fait tout d'abord connaître dans des films en français à destination du marché européen avant de jouer hors d'Europe dans des films comme Lifeforce (1985), Naked Tango (1991), ou Becoming Colette (1991). Aux États-Unis, elle est surtout connue pour son personnage secondaire d'Isabella dans Le Chacal avec Richard Gere et Bruce Willis ou ses scènes de nu dans Lifeforce.