Nacida en Tarragona, Marta Mathéu tiene una sólida formación musical como pianista, organista, directora coral y cantante, lo que le permite abordar habitualmente y con naturalidad las principales obras y roles de la ópera, el oratorio y el lied, así como alternar el repertorio de música antigua con el repertorio clásico, romántico, del siglo XX y contemporáneo. Es profesora del Conservatorio del Liceu de Barcelona desde 2014. Es también profesora del Orfeó Català y el Cor de Cambra del Palau de la Música Catalana e imparte masterclasses habitualmente. En los últimos años ha sido profesora invitada en el Curso Internacional de Canto que organiza la Universidad Nacional de Bogotá, y en la Universidad EAFID de Medellín.
Marta Mathéu fue ganadora del Concurso Francesc Viñas en 2008, con el Premio del Público y el Premio al mejor intérprete de Mozart, entre otros. También ha obtenido el premio del Concurso Permanente de Juventudes Musicales de España, y los premios de los concursos internacionales Manuel Ausensi y Montserrat Caballé.
En las últimas temporadas ha actuado como solista regularmente en L’Auditori de Barcelona, el Liceu y en el Palau de la Música. En este último, destaca su participación en la producción de la Pasión según San Mateo de Johann Sebastian Bach dirigida por Jordi Savall; así como en la producción de Las bodas de Fígaro, de Amigos de la Ópera de Sabadell, debutando el rol de Contessa, que se añade así a los de Marcellina y Susanna, que ya había abordado anteriormente; y ha ofrecido diferentes recitales de lied, entre los que destacan los que ha ofrecido en Madrid, Santiago de Compostela y Lleida, con motivo del centenario de Enrique Granados, acompañada al piano por Albert Guinovart.
Mathéu estudió en el conservatorio de su ciudad y en el Conservatorio Superior de Música de Valencia con Ana Luisa Chova, perfeccionándose posteriormente con Montserrat Caballé, Elena Obraztsova, Ana María Sánchez, Isabel Penagos, Enedina Lloris, Carmen Bustamente, Robert Expert, Miguel Zanetti y Wolfram Rieger. Desde entonces, ha actuado bajo la dirección de maestros como Víctor Pablo Pérez, Antoni Ros Marbà, Neville Marriner, Fabio Biondi, Jordi Casas, Marzio Conti, Adrian Leaper y Ivor Bolton.
En el año 2011, el Ayuntamiento de Tarragona le otorgó el Diploma al Mérito Cultural por su trayectoria internacional y labor de embajadora de la población. Actualmente es miembro del Senado de la ciudad. Tiene grabaciones discográficas por los sellos KLASSIC, Brilliant, Naxos y Opus Arte.