Mati Diop est née le 22 juin 1982 à Paris. Elle est la fille d’un musicien sénégalais, Wasis Diop et d’une acheteuse d’art française. Elle baigne dans un univers artistique et rapidement choisit de suivre les traces de son oncle, le cinéaste Djibril Diop Mambéty.

En 2004, la jeune femme réalise son premier court-métrage, Last night, à l’âge de 22 ans. Remarquée par le directeur du Pavillon, le laboratoire de recherche artistique du Palais de Tokyo, ce dernier lui propose de rejoindre l’institut pour parfaire sa formation. Mati Diop collabore à diverses mises en scène de théâtre et réalise des vidéos et des créations sonores, comme celles de la pièce Les Nègres de Jean Genet mis en scène par Cristèle Alves Meira au théâtre de l’Athénée à Paris.

Après plusieurs expériences réussies de réalisation en court et moyen métrages (Big in Vietnam, Mille Soleils), Mati Diop se lance dans la réalisation de son premier long-métrage, Atlantique. En mai 2019, son film est sélectionné en compétition officielle lors du Festival de Cannes et remporte le Grand Prix. En 2020, le film est également nominé au César du meilleur premier film à la 45ème cérémonie des César.

Parallèlement, elle fait ses premiers d’actrice devant la caméra de Claire Denis en 2008 dans le film 35 rhums. Sa prestation est remarquée et lui vaut une nomination au Prix Lumières du meilleur espoir féminin. Dans les années qui suivent, elle rejoint le casting de plusieurs films; Simon Killer, Fort Buchanan ou encore L for Leisure. En 2021, elle retrouve Claire Denis qui lui confie un rôle dans son nouveau long-métrage, Feu !

En juillet 2021, elle est membre du jury du 74ème Festival de Cannes, présidé par Spike Lee.