Наиболее важные достижения Матьё — функция Матьё, группа Матьё, преобразование Матьё. Он автор учебника по математической физике в 6 томах. Том 1 — содержит методики решения дифференциальных уравнений в математической физике и описание применения функций Матьё для электростатики. Том 2 посвящён капиллярности. Том 3 и 4 — электростатика и магнетизм соответственно. Том 5 посвящён электродинамике, том 6 — упругости.