Matthias Schoenaerts nasceu em 8 de dezembro de 1977 em Antuérpia, Bélgica. Sua mãe, Dominique Wiche, era figurinista, tradutora e professora de francês, e seu pai era o ator Julien Schoenaerts. Estreou no cinema aos 13 anos, ao lado de seu pai, no filme belga Daens (1992), que foi indicado ao Oscar de Melhor Filme Estrangeiro. Schoenaerts matriculou-se na escola de cinema, mas foi expulso por falta de frequência em seu segundo ano. Aos 21 anos, ele estava matriculado na Academia de Artes Dramáticas de Antuérpia e atuava profissionalmente em pequenos papéis na televisão e no cinema belga. Quando se formou em 2003, Schoenaerts já era nomeado um dos "Europe's Shooting Stars" pela influente organização de marketing European Film Promotion.
Em 2002, ele estrelou a estréia na direção de Dorothée Van Den Berghe, Garota (2002), que também foi seu primeiro longa-metragem desde Daens. Com seu papel em Any Way the Wind Blows (2003), de Tom Barman, ele provou que era o jovem ator de Flandres para assistir.
Em 2004, Schoenaerts produziu e estrelou o curta-metragem A Message from Outer Space (2004). Ele também apareceu em Ellektra (2004) ao lado de seu pai.
Em 2006, ele teve um pequeno papel como membro da Resistência Holandesa no Livro Negro de Paul Verhoeven (2006), e conseguiu seu primeiro papel principal no filme belga Love Belongs to Everyone (2006), interpretando Dennis, um homem com deficiência mental aprendendo a se ajustar à vida após uma sentença de prisão por um estupro que ele pode não ter cometido.
Embora Schoenaerts tenha recebido elogios da crítica por seu papel em "Love Belongs to Everyone", o filme que o tornaria uma estrela em sua terra natal veio em 2008, em Erik Van Looy's Loft (2008), Schoenaerts interpretou Filip, um de um grupo de casados amigos que dividem o aluguel de um loft no centro da cidade como um lugar para encontrar suas respectivas amantes. O suspense dramático foi um sucesso estrondoso, tornando-se o filme flamengo de maior bilheteria de todos os tempos. No mesmo ano, também estrelou o filme de terror Left Bank (2008).
Em 2009, voltou a trabalhar com a diretora Dorothée Van Den Berghe, interpretando a hippie Raven em My Queen Karo (2009). Em 2010, ele desempenhou o papel principal no thriller tecnológico de Alex Stockman, Pulsar (2010).
Em 2011, Schoenaerts estrelou Rundskop (2011) de Michaël R. Roskam, interpretando Jacky Vanmarsenille, um criador de gado que se envolve com o submundo dos hormônios e esteróides bovinos. Impressionado com o roteiro, Schoenaerts se comprometeu a estrelar o filme em 2005, e durante os cinco anos que o diretor estreante Roskam levou para garantir o financiamento, o ator transformou seu corpo naturalmente magro no de um bruto abusador de esteróides. Seu desempenho poderoso no papel trágico ganhou prêmios em vários festivais de cinema e levou "Bullhead" a uma indicação ao Oscar de Melhor Filme Estrangeiro em 2012.
Em 2012, Schoenaerts conseguiu o papel principal ao lado de Marion Cotillard em Rust and Bone (2012), de Jacques Audiard, no filme que interpretou Ali, um ex-boxeador que se apaixona pelo personagem de Cotillard. Como os filmes anteriores de Audiard, "Rust and Bone" recebeu uma recepção de tirar o fôlego no Festival de Cinema de Cannes com uma ovação de pé de dez minutos no final de sua exibição e foi um sucesso de crítica e bilheteria na França. A atuação de Schoenaerts no filme rendeu-lhe o Prêmio César de Ator Mais Promissor em 2013.
Schoenaerts também estrelou o curta-metragem belga Death of a Shadow (2012), que foi indicado ao Oscar de Melhor Curta-Metragem Live Action em 2013 e ganhou o European Film Award de Melhor Curta-Metragem Europeu.
Em 2013, estrelou Blood Ties (2013), após ter sido recomendado para o filme por sua co-estrela em "Rust and Bone", Marion Cotillard. Após sua descoberta em "Rust and Bone", Matthias começou uma carreira em Hollywood e conseguiu papéis em produções americanas e britânicas como Suite Française de Saul Dibb (2014), A Little Chaos de Alan Rickman (2014), The Drop de Michaël R. Roskam (2014) ) e Far from the Madding Crowd (2015), de Thomas Vinterberg.
Em 2015, Schoenaerts voltou ao cinema francês em Alice Winocour's Disorder (2015), no qual interpreta um ex-soldado com PTSD. Ele também interpretou um dos protagonistas de A Bigger Splash (2015), de Luca Guadagnino, ao lado de Tilda Swinton e Ralph Fiennes, e interpretou o marchand Hans Axgil em The Danish Girl (2015), de Tom Hooper.
Ele se reunirá novamente com Michaël R. Roskam em Racer and the Jailbird (2017) e também com Thomas Vinterberg em The Command (2018), em que Schoenaerts interpretará o capitão de um submarino russo.
