Мирей Матьё родилась 22 июля 1946 года в Авиньоне, в семье каменщика, где была старшей из четырнадцати братьев и сестёр. Семья жила бедно, в холодном бараке; только после рождения восьмого ребёнка они получили четырёхкомнатную квартиру в муниципальном доме.

В школе Мирей была круглой двоечницей, но связано это было с отношением к ней первой учительницы. Дело в том, что девочка от рождения была левшой, а учительница требовала, чтобы она писала правой рукой; когда Мирей пыталась писать левой, учительница била её по руке линейкой. В результате Мирей стала запинаться при чтении, и учительница решила пересадить её на последнюю парту. После этого Мирей вообще перестала слушать учительницу. Хотя в следующем классе у неё появилась другая учительница, все переживания сильно отразились на Мирей, и в 13 лет она бросила школу и ушла работать на фабрику по изготовлению конвертов.

Когда Мирей было 15 лет, семья перебралась жить в пятикомнатную квартиру, которая субсидировалась правительством, где была неведомая до сих пор роскошь — ванная комната! «Это был прекраснейший день в моей жизни, — вспоминает Мирей, — я впервые приняла ванну! Это было великолепное ощущение».

Мирей с раннего детства любила петь и во многом была обязана этим своему отцу, прекрасному тенору. Вот что она пишет в своих воспоминаниях: «Он пел дома, пел в мастерской, и, слушая его, я застывала, словно зачарованная. Как только раздавалось папино пение, я вторила ему, точно канарейка. Это приводило его в восторг, и в конце концов он объявил, что в этом году я непременно буду участвовать в праздничном песнопении». Она пела в церковном хоре, пела в дуэте со своим отцом, страстно любившим оперу. В шестнадцатилетнем возрасте она приняла участие в городском конкурсе и заняла второе место. В 1965 году она сумела победить на этом конкурсе, и мэрия Авиньона послала её в Париж для участия в телешоу «Игра фортуны» канала «Теле-Диманш».

Первый же диск Матьё с песней Mon credo композитора Поля Мориа за полгода разошёлся во Франции тиражом в миллион экземпляров.

Продав более 100 миллионов пластинок по всему миру и имея репертуар, состоящий более чем из 1000 песен на французском, немецком, английском, итальянском, испанском, провансальском, каталанском, японском, китайском, русском и финском языках, она пела перед самой разной публикой, во многих странах. Мирей была первым западным исполнителем, давшим концерты в Китае.

С начала 1970-х годов Матьё совсем не выступала во Франции, вернувшись на сцену «Олимпии» лишь в конце 1985 года; следующие большие концерты певицы состоялись пять лет спустя во Дворце Конгрессов по приглашению президента страны Франсуа Миттерана. В 1990-х вышли альбом-посвящение Эдит Пиаф (1993) и «Vous lui direz…» (1996).

В её репертуаре присутствовали как песни известных французских авторов — Пьера Деланоэ, Шарля Азнавура, Лемеля, Рево — так и мировые хиты.

В 1978 году Мирей Матьё была избрана прототипом национального символа Франции — Марианны.

В 1989 году на праздновании 100-летия Эйфелевой башни Мирей Матьё была удостоена чести спеть гимн Франции — Марсельезу — в сопровождении оркестра Республиканской гвардии и хора французской армии. Это исполнение Марсельезы (не полное) транслировалось по телевидению многих стран, стало одним из самых известных в мире и свидетельствовало о безусловном признании Мирей Матьё великой французской певицей.

Награждена орденом Почётного легиона (1998).

Летом 1967 года Матьё впервые в составе французского мюзик-холла выступила в СССР. Впоследствии она неоднократно приезжала в Россию, уже после распада СССР.

1 ноября 2008 года Мирей Матьё выступила с большим концертом в Москве в ГКД в присутствии премьер-министра России В. В. Путина и лидера Ливийской революции М. Каддафи.

4 ноября 2010 Президентом России Д. А. Медведевым награждена Орденом Дружбы.