Már a családja is nagy kerékpárrajongó volt: édesapja, Adri kétszer is nyert szakaszt a Tour de France-on, míg nagyapja, Raymond Poulidor az 1964-es Vuelta győztese. Bátyja, David prominens cyclo-cross versenyző.
Mathieu a cyclo-cross világában kezdte karrierjét, ahol gyorsan az egyik legmeghatározóbb névvé vált. 2011-ben már junior Európa-bajnoknak, majd 2012-ben junior világbajnoknak mondhatta magát. 2015-ben szerezte meg Táborban az első világbajnoki címét a felnőttek között Wout van Aert előtt. A belga azonban az ezt követő három évben nem talált legyőzőre, Mathieu 2017-ben volt hozzá a legközelebb a második helyével; ebben az évben a világkupát sikerült megnyernie. 2019-ben azonban sikerült legyőznie nagy ellenfelét, majd ez után még kétszer sikerült világbajnokká válnia.
Van der Poel egy 2018-as MTB versenyén
Az országúti kerékpározásban 2018-ban hívta fel magára a figyelmet, amikor is holland nemzeti bajnok lett, majd a glasgow-i Európa-bajnokságon második lett a felnőttek között Matteo Trentin mögött. A következő évében kipróbálta magát a tavaszi egynaposokon is hatalmas sikerrel. A Gent–Wevelgemen negyedik lett, de utána a Dwars door Vlaanderen versenyt sikerült megnyernie. Utána a Flandriai körversenyen szintén negyedik lett, majd az Amstel Gold Race-t sikerült megnyernie egy meggyőző sprinttel.
2020-ban elérte addigi legnagyobb sikerét országúton, mivel a COVID-19 járvány miatt októberre halasztott flandriai körversenyen nem talált legyőzőre. A győzelemért nagy riválisával, Wout van Aerttal csapott össze, de a sprintet végül centikkel a holland nyerte meg. A következő tavasszal ott folytatta ahol ősszel abbahagyta, minden nagy tavaszi klasszikuson esélyesként szállt harcba. A Strade BianchénAlaphilippe-pel és Bernallal lépett el a főmezőnytől és sikerült az utolsó sienai emelkedőn eldöntenie a versenyt és nyernie. A Miláno–Sanremón ötödik lett, ezután következett a flandria, ahová címvédőként érkezett. Az előzetes várakozásoknak megfelelően ismét a győzelemért harcolt, de hatalmas meglepetésre Kasper Asgreen sprintben meg tudta verni a hollandot, így csak a második helyen zárt.
Van der Poel (jobbra) a holland bajnoki trikóban 2021-ben
A tavaszi klasszikusok után elindult első háromhetes körversenyén, a 2021-es Tour de France-on. A bemutatkozása jól sikerült, a második szakaszon nyerni tudott és felvehette a sárga trikót, amit hat napon keresztül viselhetett. Miután elvesztette a sárga trikót úgy döntött, hogy feladja a versenyt és az olimpiai szereplésére koncentrál. Az olimpiája azonban korántsem úgy sikerült, ahogyan azt eltervezte. A mountain bike verseny első körében hatalmasat bukott, mivel nem tudta, hogy az ugrató alatt az edzéseken használt pallót a versenyre eltávolítják. Visszaült még a kerékpárjára, de nem sokkal később feladta a versenyt. Az év végére is maradt egy fontos versenye, mivel a koronavírus miatt októberre halasztották a Párizs–Roubaix-t. Itt is sikerült a győzelemért harcoló csoportba belekerülnie, de az embertelen időjárási körülmények miatt a sprintre már mindenki elfáradt, végül harmadik lett.
2022-ben ismét meg tudta nyerni sprintben a flandriát, így három év alatt begyűjtötte harmadik dobogóját és egyben második győzelmét erről a versenyről. Májusban részt vett a Magyarországról rajtoló Girón, ahol a visegrádi első szakaszt megnyerte Biniam Girmay előtt, ezzel pedig a magyarországi szakaszokra magához vette a rózsaszín, a kék és a ciklámen trikót is. Több szakaszt ugyan nem nyert, de ő lett a verseny legaktívabb versenyzője. Később elindult a Touron is, de szakaszt nem nyert, a 11. szakasz után pedig kiszállt a versenyből.
holland
Alpecin–Fenix
