Mathilde Bundschuh wurde am 30. Juli 1994 in Plauen geboren. Durch ihren Vater, den Schauspieler Jörg Bundschuh, und ihren älteren Bruder, den Schauspieler Joseph Bundschuh, kam sie bereits früh mit der Film- und Fernsehwelt in Kontakt. Ihr Schauspieldebüt gab sie im Alter von elf Jahren in einem Kurzfilm und wirkte im gleichen Jahr in einer Folge der TV-Serie "Typisch Sophie" (2005) mit. In den Jahren danach sah man sie in mehreren Fernsehproduktionen, darunter der Weihnachtsfilm "Beutolomäus und der geheime Weihnachtswunsch" (2006) und die Komödie "Freie Fahrt ins Glück" (2007) mit Saskia Vester. Eine feste Hauptrolle hatte sie von 2007 bis 2009 in den Erfurter Episoden der Kinder-Krimireihe "Krimi.de" 

Ihre erste Fernsehspielhauptrolle bekam Mathilde Bundschuh in Franziska Buchs Psychodrama "Rosannas Tochter" (2009). Darin verkörperte sie eine Teenagerin, die nach dem Tod ihrer Mutter bei ihrem Vater und dessen neuer Partnerin leben muss. Eine verwandte Thematik behandelte "Tage die bleiben" (2011), in dem Bundschuh ihre erste Kinohauptrolle spielte: diesmal als Teenagerin, die nach dem Unfalltod ihrer Mutter in schwere Konflikte mit ihrem untreuen Vater gerät. Der preisgekrönte Film startete Anfang 2012 in den deutschen Kinos. TV-Hauptrollen hatte Bundschuh als schwer traumatisiertes Entführungsopfer in der saarländischen "Tatort"-Episode "Verschleppt" (2012) und in dem Mutter-Tochter-Drama "Geliebtes Kind" (2012).  

Ebenfalls 2012 begann sie eine Schauspielausbildung an der Hochschule für Musik und Theater in Rostock. Während dieser Jahre stand sie weiterhin für TV-Produktionen vor der Kamera: In "Das Adlon. Eine Familiensaga" (2013) hatte sie eine kleinere Nebenrolle als Tochter der weiblichen Hauptfigur, in "Operation Zucker – Jagdgesellschaft" (2016) gehörte sie zu den Opfern eines mächtigen Kinderhändlerrings. Für ihren Kurzauftritt als Punkerin in dem Sozialdrama "Das Ende der Geduld" (2015) wurde sie beim Deutschen Schauspielerpreis in der Kategorie "Starker Auftritt" ausgezeichnet. Ihre Rolle in der "Tatort"-Folge "Klingelingeling", als rumänische Bettlerin, deren Baby auf tragische Weise ums Leben kommt, brachte ihr eine Nominierung für den Studio Hamburg Nachwuchspreis ein. 

Nach ihrem Diplom-Abschluss 2016 erhielt Mathilde Bundschuh zur Spielzeit 2016/17 ein Engagement am Residenztheater München, wo sie bis 2019 in einigen Inszenierungen mitwirkte. 2018 erhielt sie den Förderpreis der Freunde des Residenztheaters, 2018 und 2019 war sie in der Kritikerumfrage der Fachzeitschrift Theater heute als Schauspielerin des Jahres nominiert. Während dieser Zeit übernahm sie keine Fernseh- oder Kinorollen.  

2019 verließ Bundschuh das Residenztheater und begann als freie Schauspielerin zu arbeiten. Sie spielte Episodenrollen in Serien wie "In aller Freundschaft", "SOKO Köln" und "SOKO Potsdam", und verkörperte in der "Tatort"-Folge "Borowski und die Angst der weißen Männer" (2021) das Date eines mörderischen Frauenhassers (gespielt von ihrem Bruder Joseph Bundschuh). 2022 erhielt sie in der Serie "Die Kanzlei" eine feste Hauptrolle als neue Assistentin in der titelgebenden Anwaltskanzlei. 

Auf der Kinoleinwand sah man Mathilde Bundschuh 2024 in einer Hauptrolle des dystopischen Dramas "Milchzähne", als junge Frau, die in einer nahen, unwirtlichen Zukunft die Verantwortung für ein junges Mädchen übernimmt.