Mathieu Klein est né le 20 janvier 1976 à Phalsbourg (Moselle). Après des études secondaires en Moselle, il s’installe à Nancy en 1993. Il y suit des études de sociologie et travaille notamment comme cadre dans une association nationale de lutte contre le sida puis dans un organisme mutualiste jusqu’en 2014.
Membre du Parti socialiste depuis 1992, Mathieu Klein est élu pour la première fois conseiller général du canton de Nancy-Nord en 2004 et réélu en 2011. Dès son premier mandat, il devient vice-président du Conseil général de Meurthe-et-Moselle délégué à l’éducation et à l‘innovation citoyenne. Il y impulse le programme départemental de lutte contre les discriminations et le développement de démarches participatives, en initiant notamment un des premiers jurys citoyens de France. Il est également à l’origine de la tarification progressive de la restauration scolaire dans les collèges de Meurthe-et-Moselle et conduit la mise en œuvre du plan collèges nouvelles générations, un programme de 270 millions d’euros dédié à la rénovation des collèges du département. Il pilote également l’élaboration de la stratégie Allemagne de la Lorraine. Depuis 2008, il est conseiller municipal de Nancy et conseiller communautaire du Grand Nancy.
Le 22 avril 2014, suite à la mort accidentelle de son prédécesseur, Mathieu Klein devient président du Conseil général de Meurthe-et-Moselle. Elu conseiller départemental dans le canton de Nancy-2 (nouveau découpage) le 29 mars 2015, il devient le 2 avril 2015 président du Conseil départemental de Meurthe-et-Moselle. Il est l’un des plus jeunes présidents de Conseil départemental de France.