Elle est la fille de Jérôme Bonaparte, frère de Napoléon 1er, ex-roi de Westphalie, et de sa deuxième épouse, Catherine de Wurtemberg. En 1835, elle est fiancée à son cousin Louis-Napoléon Bonaparte, futur Napoléon III. Elle a alors quinze ans et elle l’aime. Cependant, les fiançailles restent sans suite en partie parce que le roi de Wurtemberg, beau-père de Jérôme, désapprouve l’union (en raison du passé de carbonaro de Louis-Napoléon) mais aussi pour des objections financières, soulevées par Louis Bonaparte, père de Louis-Napoléon ! Elle épouse en 1840 le comte Demidov, prince de San Donato, mais ce mariage sans postérité ne fut jamais heureux. Demidov, fabuleusement riche est violent. Mathilde s’enfuit pour Paris. Peu après, Demidov est condamné à verser à la princesse Mathilde une énorme pension. Mathilde s’installe à Paris en 1846 à la fin du règne de Louis-Philippe, auprès de son amant, Émilien de Nieuwerkerke, un riche sculpteur avec qui elle restera de nombreuses années. En 1847, elle est officiellement divorcée de Demidov.
Avec l’accession de son cousin Louis-Napoléon à la présidence de la République, puis à la dignité impériale, elle joue véritablement un rôle de premier plan. Mathilde fait office de maîtresse de maison au palais de l’Élysée. Sous le Second Empire et la Troisième République, elle tient à Paris un salon littéraire couru où paraissent les plus grands noms. Après la chute de l’Empire en 1870, elle s’exile quelque temps en Belgique puis elle revient en France. Elle est le seul membre de la famille Bonaparte demeuré sur le sol français après le vote de la seconde loi d’exil (juin 1886). Elle décède en 1904.
