Matthias Brandt wurde am 7. Oktober 1961 in West-Berlin geboren. Der Sohn des damaligen Regierenden Bürgermeisters von Berlin und späteren Bundeskanzlers Willy Brandt und dessen Frau Rut studierte Schauspiel an der Hochschule für Musik und Theater in Hannover. Ab 1985 hatte Brandt Engagements an zahlreichen deutschsprachigen Bühnen, darunter am Nationaltheater Mannheim, dem Schauspielhaus Zürich und dem Schauspielhaus Bochum.

Neben seiner Theaterarbeit wirkte Matthias Brandt in den vergangenen Jahren auch regelmäßig in TV- und Kinoproduktionen mit. So profilierte er sich in anspruchsvollen Fernsehfilmen, die bei Publikum und Kritik für Aufsehen sorgten und zum Teil auch Gegenstand öffentlicher Diskussionen wurden. Dazu zählte "Im Schatten der Macht" (2003) von Oliver Storz, eine dramatisierte Rückschau auf die Geheimdienstaffäre, die zum Rücktritt des Bundeskanzlers Willy Brandt führte. Matthias Brandt selbst verkörperte darin den DDR-Agenten Günter Guillaume, der Brandts Vater ausspionierte.

Auf einem tatsächlichen Fall basierte auch die hoch gelobte TV-Produktion "In Sachen Kaminski" (2005), in dem Matthias Brandt einen geistig leicht behinderten Vater spielt, der zusammen mit seiner Frau (gespielt von Juliane Köhler) um das Sorgerecht für das gemeinsame Kind kämpft. Brandt wurde für diese Darstellung mit dem Bayerischen Fernsehpreis 2006 ausgezeichnet. 2007 erhielt Brandt einen Grimme-Preis für seine Rolle als Briefträger Enno in "Arnies Welt" (2005), und TV-Filme wie "Mütter Väter Kinder" und "Contergan" sowie Jan Bonnys viel gelobtes Kinodrama um Gewalt in der Ehe "Gegenüber" (alle 2007) untermauerten seinen Status als wandlungsfähiger Charakterdarsteller. Für "Gegenüber" wurde Matthias Brandt für den Deutschen Filmpreis 2008 nominiert.

Ebenfalls 2007 war er in Claudia Gardes "Die Frau am Ende der Straße" neben Maren Eggert zu sehen. In der vielbeachteten TV-Produktion spielte er den Ehemann einer psychisch kranken Frau, mit der er in eine Reihenhaussiedlung zieht, um dort als Familie ein vermeintlich "normales" Leben zu führen. Für ihre Darstellung des Zerbrechens an den Zwängen des kleinbürgerlichen Glücks wurden Brandt und Eggert im Jahr 2008 gemeinsam mit dem Deutschen Kritikerpreis ausgezeichnet. Im selben Jahr erhielt Matthias Brandt auch die Goldene Kamera als Bester Deutscher Schauspieler für seine Leistungen in "Die Frau am Ende der Straße" (2006) und "Nachtschicht" (2007).

Seit 2011 war Matthias Brandt regelmäßig in der ARD-Krimireihe "Polizeiruf 110" zu sehen, wo er u.a. unter der Regie von Leander Haußmann, Dominik Graf, Christian Petzold und Marco Kreuzpaintner als Hauptkommissar Hanns von Meuffels in München ermittelte. Für seine Darstellung erhielt Brandt mehrere Auszeichnungen, darunter den Bambi 2011 und 2013 und den Bayerischen Fernsehpreis als bester männlicher Darsteller.

Parallel zu seiner Rolle als Fernseh-Kommissar war Brandt immer wieder auch in anderen TV-Produktionen zu sehen, wobei Raymond Leys "Eine mörderische Entscheidung" (2013) und Hermine Huntgeburths "Männertreu" (2014) besondere Beachtung fanden. In "Eine mörderische Entscheidung" – basierend auf realen Geschehnissen bei Kunduz im Jahr 2009 - mimte Brandt einen Kommandeur der Infanterie in Afghanistan, der zum Schutz seiner Soldaten eine Entscheidung trifft, die für zahlreiche Zivilisten tödliche Folgen hat. In "Männertreu" war Brandt an der Seite von Suzanne von Borsody als erfolgreicher Geschäftsmann und untreuer Ehemann zu sehen, der sich immer mehr in politischen und erotischen Intrigen verfängt. Matthias Brandts Spiel in diesen Produktionen wurde ebenfalls preisgekrönt: Für beide Filme erhielt er gemeinsam mit den jeweiligen Teams 2014 und 2015 den Grimme-Preis im Wettbewerb Fiktion. Für "Männertreu" erhielt er 2015 zusätzlich den Bayerischen Fernsehpreis und den Hessischen Filmpreis als Bester Schauspieler.

2016 war Matthias Brandt in Maria Schraders preisgekrönter Filmbiografie "Vor der Morgenröte - Stefan Zweig in Amerika" neben Josef Hader und Barbara Sukowa im Kino zu sehen.

Mit "Raumpatrouille" erschien im selben Jahr sein literarisches Debüt, ein Band mit autobiographischen Erzählungen, der zum Bestseller wurde. Das Buch entstand im engen Austausch mit Brandts Bühnenpartner, dem Musiker Jens Thomas. Mit ihm stand er seit Jahren mit den gemeinsamen Programmen "Psycho" und "Angst" auf der Bühne, so auch 2017 mit Auszügen aus seinem Buch als Wort-Musik-Collage. 2019 folgte Brandts Romandebüt "Blackbird".

Anfang 2017 kündigte Brandt an, aus dem "Polizeiruf" auszusteigen, um sich verstärkt anderen Film- und Fernsehprojekten widmen zu können. Seine letzte Episode war "Tatorte" (2018) in der Regie von Christian Petzold, in dessen Kinoproduktion "Transit" (2018) nach dem Roman von Anna Seghers er ebenfalls mitwirkte. 2018 war Brandt in der mit Spannung erwarteten und bislang teuersten deutschen Serie "Babylon Berlin" nach der Vorlage von Volker Kutscher (Regie: Tom Tykwer, Achim von Borries und Hendrik Handloegten) in der Rolle des Regierungsrats August Benda zu sehen.

2018 spielte er in der Verfilmung von Michel Houellebecqs umstrittenem Roman "Unterwerfung" an der Seite von Edgar Selge sowie im Zwei-Personen-Kammerspiel "Toulouse" an der Seite von Catrin Striebeck. Abermals viel Lob erhielt er für Jan Bonnys "Wir wären andere Menschen" (2019), in dem er einen Mann verkörpert, der sich 30 Jahre nach dem Tod seiner Eltern an den beiden Polizisten rächen will, die sie erschossen haben. 2020 war er in der sechsteiligen, auf einem realen Kriminalfall beruhenden Miniserie "Das Geheimnis des Totenwaldes" zu sehen und wurde für diese Rolle im Jahr darauf für den Deutschen Schauspielpreis nominiert.