Après une jeunesse liégeoise, Léon Mathot suit les cours d'art dramatique au conservatoire de Lille. Il débute au cinéma en 1907 dans un rôle de figuration pour La Course à la perruque d'André Heuzé. Acteur jusqu'en 1927, il passe à la réalisation avec Dans l'ombre du harem.
Léon Mathot est un réalisateur prolifique et rompu à tous les genres. Il débute avec des films de commande dont la seule vocation est de divertir : La Bande à Bouboule (1931), Embrassez-moi (1932), Nu comme un ver (1933) ou Le Comte Obligado (1934). Après La Mascotte (1935), adapté d'une opérette, Mathot s'essaie au film d'espionnage, genre encore marginal à l'époque, avec Les Loups entre eux (1936) et L'Homme à abattre (id.), qui correspondent à deux aventures du capitaine Benoît d'après Ceux du SR de Charles-Robert Dumas. L'un de ses meilleurs films demeure Chéri-Bibi (1937), incarné par Pierre Fresnay et adapté de l'oeuvre de Gaston Leroux. Pour Le Révolté (1938), tout aussi remarqué, Mathot recourt au talent du scénariste Henri-Georges Clouzot pour adapter le roman de Maurice Larrouy. Ce film révèle l'acteur René Dary que Mathot dirige à nouveau dans Forte tête (1942). Le Bois sacré (1939) signe une comédie inspirée de la pièce de Robert de Flers et Gaston Arman de Caillavet. Mathot confirme sa maîtrise du film d'espionnage avec Rappel immédiat (id.), avec Eric von Stroheim et Mireille Balin. Parmi ses mélodrames exotiques, Cartacalha, reine des gitans (1941) consacre Viviane Romance. Si Fromont jeune et Risler aîné (id.) est salué par la critique comme une excellente adaptation d'Alphonse Daudet, Mathot tourne par la suite des films plutôt commerciaux. Sa carrière s'achève en 1952 sur une comédie, Mon gosse de père.
De 1908 à 1930, Léon Mathot est acteur. Il tourne notamment dans Monte-Cristo d'Henri Pouctal, dans L'Empereur des pauvres de René Leprince et dans L'Auberge rouge de Jean Epstein.
A partir de 1938, Léon Mathot est vice-président de la Cinémathèque Française dont il assume la présidence de 1959 à 1967.
Courts métrages 1932 | Hier et aujourd'hui | Léon Mathot |
| 1918 | Petites marionnettes (Les) | Louis Feuillade |
| 1922 | Robe déchirée (La) | Jacques de Baroncelli |
Longs métrages| 1927 | Dans l'ombre du harem | André Liabel, Léon Mathot |
| 1928 | Appassionata (L') | André Liabel, Léon Mathot |
| 1929 | Instinct (L') | Léon Mathot, André Liabel |
| 1930 | Refuge (Le) | Léon Mathot |
| 1931 | Bande à Bouboule (La) | Léon Mathot |
| 1931 | Passeport 13.444 | Léon Mathot |
| 1932 | Embrassez-moi | Léon Mathot |
| 1933 | Bouboule Ier, roi nègre | Léon Mathot |
| 1933 | Nu comme un ver | Léon Mathot |
| 1934 | Comte Obligado (Le) | Léon Mathot |
| 1935 | Mascotte (La) | Léon Mathot |
| 1936 | Ange du foyer (L') | Léon Mathot |
| 1936 | Homme à abattre (L') | Léon Mathot |
| 1936 | Loups entre eux (Les) | Léon Mathot |
| 1937 | Aloha, le chant des îles | Léon Mathot |
| 1937 | Chéri-Bibi | Léon Mathot |
| 1938 | Révolté (Le) | Robert Bibal, Léon Mathot |
| 1939 | Bois sacré (Le) | Léon Mathot |
| 1939 | Rappel immédiat | Léon Mathot |
| 1940 | Collier de chanvre (Le) | Léon Mathot |
| 1941 | Cartacalha, reine des gitans | Léon Mathot |
| 1941 | Fromont jeune et Risler aîné | Léon Mathot |
| 1942 | Forte tête | Léon Mathot |
| 1942 | Homme sans nom (L') | Léon Mathot |
| 1945 | Nuits d'alerte | Léon Mathot |
| 1945 | Route du bagne (La) | Léon Mathot |
| 1946 | Dernière chevauchée (La) | Léon Mathot |
| 1947 | Dolmen tragique (Le) | Léon Mathot |
| 1949 | Danseuse de Marrakech (La) | Léon Mathot |
| 1949 | Homme aux mains d'argile (L') | Léon Mathot |
| 1952 | Mon gosse de père | Léon Mathot |
| 1927 | Dans l'ombre du harem | André Liabel, Léon Mathot |
| 1927 | Celle qui domine | Carmine Gallone |
| 1931 | Daïnah la métisse | Jean Grémillon |
| 1906 | Course à la perruque (La) | Georges Hatot |
| 1908 | Secret de l'acier (Le) | Henri Andréani |
| 1911 | Gontran a le coup de foudre | Lucien Nonguet |
| 1913 | Gontran et le billet gratuit | Lucien Nonguet |
| 1913 | Gontran fait des conquêtes | Lucien Nonguet |
| 1913 | Gontran, médecin de famille | Lucien Nonguet |
| 1914 | Comte de Monte-Cristo (Le) | Henri Pouctal |
| 1914 | Lumière qui s'éteint (La) | Louis J. Gasnier |
| 1914 | Pont fatal (Le) | Henri Andréani |
| 1914 | Route du bagne (La) | René Leprince |
| 1915 | Faussaires (Les) | Louis Paglieri |
| 1915 | Gants blancs de Saint-Cyr (Les) | Henri Diamant-Berger |
| 1915 | Lord ouvrier (Le) | Henri Diamant-Berger, Max André |
| 1915 | Sous l'uniforme = Sous l'épaulette | Camille de Morlhon |
| 1915 | Strass et Cie | Abel Gance |
| 1916 | Dames de Croix-Mort (Les) | Maurice Mariaud |
| 1916 | Fioritures = La Source de beauté | Abel Gance |
| 1916 | Gaz mortels = Les Brouillards sur la ville (Les) | Abel Gance |
| 1916 | Moulin tragique (Le) | Georges Laîné |
| 1916 | Nemrod et Cie | Maurice Mariaud |
| 1916 | Volonté | Henri Pouctal |
| 1917 | Barbe-Rousse | Abel Gance |
| 1917 | Course du flambeau (La) | Charles Burguet |
| 1917 | Droit à la vie (Le) | Abel Gance |
| 1917 | Ecrits restent (Les) | Georges-André Lacroix |
| 1917 | Son héros | Charles Burguet |
| 1917 | Zone de la mort (La) | Abel Gance |
| 1918 | Maison d'argile (La) | Gaston Ravel |
| 1918 | Marchand de bonheur (Le) | Georges-André Lacroix |
| 1919 | Ami Fritz (L') | René Hervil |
| 1919 | Travail | Henri Pouctal |
| 1920 | Empire of Diamonds (The) L'Empire du diamant | Léonce Perret |
| 1920 | Papillons | Edouard-Emile Violet |
| 1921 | Blanchette | René Hervil |
| 1921 | Empereur des pauvres (L') | René Leprince |
| 1922 | Être ou ne pas être | René Leprince |
| 1922 | Jean d'Agrève | René Leprince |
| 1922 | Vent debout | René Leprince |
| 1923 | Auberge rouge (L') | Jean Epstein |
| 1923 | Coeur fidèle | Jean Epstein |
| 1923 | Mon oncle Benjamin | René Leprince |
| 1924 | Cinquante ans de Don Juan (Les) | Henri Étiévant |
| 1924 | Diable dans la ville (Le) | Germaine Dulac |
| 1925 | Blessure (La) | Marco de Gastyne |
| 1925 | Mirage de Paris (Le) | Jean Manoussi |
| 1925 | Nuit de la revanche (La) | Henri Étiévant |
| 1925 | Puits de Jacob (Le) | Edward José |
| 1926 | Berceau de Dieu (Le) | Fred Leroy-Granville |
| 1926 | Rue de la Paix | Henri Diamant-Berger |
| 1926 | Yasmina | André Hugon |
| 1927 | Celle qui domine | Carmine Gallone |
| 1927 | Dans l'ombre du harem | André Liabel, Léon Mathot |
| 1928 | Appassionata (L') | André Liabel, Léon Mathot |
| 1929 | Instinct (L') | Léon Mathot, André Liabel |
| 1929 | Mystère de la villa rose (Le) | René Hervil, Louis Mercanton |
| 1930 | Maison de la flèche (La) | Henri Fescourt |
| 1931 | Passeport 13.444 | Léon Mathot |
| 1938 | Deuxième Bureau contre Kommandantur | René Jayet, Robert Bibal |