Passionné de cinéma depuis le plus jeune âge, il réalise dès l'âge de dix ans ses premiers films en Super 8, s'inspirant du burlesque muet. Après des études de lettres modernes à l'Université Paris III, il intègre l'Institut National Supérieur des Arts du Spectacle (INSAS) en Belgique, où il se forme à la réalisation. ​
Au début de sa carrière, il réalise plusieurs courts métrages remarqués. En 2002, son film Mi-temps est nommé aux European Film Awards. Deux ans plus tard, Le Droit Chemin reçoit le Prix SACD à la Quinzaine des Réalisateurs. En 2009, il réalise son premier long métrage, Rien de personnel, avec Jean-Pierre Darroussin et Denis Podalydès, présenté à la Semaine de la Critique au Festival de Cannes et récompensé par le Prix Louis-Delluc du meilleur premier film. En 2020, il dirige la mini-série Amour fou, diffusée sur Arte, qui remporte le prix de la meilleure série et du meilleur scénario au Festival des créations télévisuelles de Luchon. En 2023, il
adapte le roman de Robert Linhart avec le film L'Établi, explorant les luttes ouvrières post-68.
Parallèlement à ses activités de réalisateur, Mathias Gokalp enseigne la réalisation à l'INSAS, partageant son expérience avec les nouvelles générations de cinéastes. Son parcours reflète un engagement constant pour un cinéma social et politique, ancré dans les réalités contemporaines.