5-летним ребёнком он пришёл в школу марсельского «Олимпика» и к сезону 03/04 прошёл все этапы обучения в академии клуба. Благодаря отставке Алена Перрена и появлению на посту главного тренера португальца Жозе Аниго, Фламини быстро завоевал себе место в первой команде, которая в основном строилась новым наставником на воспитанниках клубной школы. Но поиграл он в Марселе совсем недолго — всего 14 матчей, среди которых и поединки в Кубке УЕФА с «Ливерпулем» и «Ньюкаслом», не ускользнувшие от глаз Арсена Венгера. Несвязанный с «Олимпиком» никакими обязательствами или документами 23 июля 2004 года Матьё подписал контракт с лондонским «Арсеналом» на 4 сезона.
Дебютный свой сезон 04/05 в составе «канониров» он провёл нестабильно. Тогда позиции в центре поля занимали в основном Фабрегас, Виейра, Жилберто и Эду, а Фламини выходил на газон по большей части во вторых таймах на замену (из 21 матча в Английской Премьер-Лиге в стартовом составе он появился 9 раз).
Но с уходом француза Патрика Виейра в туринский «Ювентус» и бразильца Эду в испанскую «Валенсию» в центре полузащиты «Арсенала» стало попросторней. Фламини получил место в основе, но играть в полузащите ему довелось недолго. К февралю 2006 года лазарет лондонцев заполнили почти все имевшиеся в распоряжении Венгера защитники — Лорен, Джилберт, Эшли Коул и Клиши. Но если на правый фланг обороны можно было поставить Эммануэля Эбуэ, то слева играть было абсолютно некому. Протестированные поочерёдно на левой бровке Филипп Сендерос и Паскаль Сиган ожиданий Венгера не оправдали. И во многом от безысходности опытный французский наставник поставил на проблемную для «канониров» позицию опорника-правшу Фламини. Словно назло всем критикам оборона «Арсенала» в составе Эбуэ, Сендероса, Коло Туре и Фламини стала мощнейшим аргументом лондонцев на пути к финалу Лиги Чемпионов. Этот квартет спелся быстро и до такой степени, будто всю жизнь играл вместе.
В сезоне 06/07 Матьё возвращается на любимое и знакомое место опорника. Но опять же ненадолго. Дуэт Фабрегаса и Жилберту в центре полузащиты ссылает молодого француза в резерв, что подталкивает его на смену команды, тем более что его контракт с «Арсеналом» подходит к концу.
Но летом, за год до истечения контракта, намерения 23-летнего полузащитника изменились. Жилберту Силва в связи с играми за сборную не мог провести полноценную предсезонную подготовку, поэтому у Фламини появилась возможность проявить себя в товарищеских матчах. И он этой возможностью воспользовался сполна. Фламини составил прекрасный дуэт в центре поля вместе с Фабрегасом. Его высочайшая работоспособность и цепкость позволила ему надёжно закрепиться в стартовом составе. И с этим не смог ничего поделать ни купленный у «Челси» Лассана Диарра, ни Жилберту Силва.
Зимой «Арсенал» принял решение отпустить Диарра и подписать новый контракт с Фламини. Матьё убеждал руководство, что желает остаться в «Арсенале» и вскоре подпишет контракт. Однако время шло, а полузащитник всё тянул время. Слухи связывали его с переходом в «Ювентус» и «Милан». В итоге 5 марта Фламини подписал 4-летний контракт с «россонери». Его зарплата составила 5.6 млн евро за сезон.
Однако дела Фламини в «Милане» пошли не лучшим образом. Он не смог быстро привыкнуть к другому чемпионату. К тому же стиль игры «Милана» кардинально отличался от того, к которому привык Фламини, выступая за «Арсенал». В итоге тренер принял решение задействовать игрока на фланге защиты. Самому Фламини это решение не понравилось. Он выразил надежду, что при новом тренере с сезона 2009-10 он вернется в полузащиту.
Первый вызов в главную сборную своей страны Фламини получил к товарищескому матчу 7 февраля 2007 года против Аргентины на «Стад де Франс». Раймон Доменек увидел в нём замену выбывшему из строя из-за травмы Жереми Тулалану. Однако Матьё остался на скамейке запасных. Дебют же состоялся в сентябрьском товарищеском матче против сборной Марокко. В следующем году вошел в список 30 футболистов, вызванных Раймоном Доменеком для подготовки к матчам Евро 2008. Рассматривался как возможная замена травмированному Патрику Виейра. Шансы Фламини войти в список 23-х изначально были маловероятными, и, в конечном итоге, тренер предпочел взять Виейра, несмотря на его лишь недавнее восстановление. После неучастия в Евро 2008 в том же году провел еще 2 матча за Францию, последний из которых состоялся 10 сентября против Сербии, в квалификационных играх Чемпионата Мира в ЮАР 2010. С того времени больше в сборную не вызывался.