Mathilde Arnoux a étudié l'histoire de l'art à Paris I, Paris IV et à l’école du Louvre.  Elle a soutenu, en novembre 2003, une thèse de doctorat intitulée «La réception de la peinture germanique par les musées français entre 1871 et1981». Entre 2000 et 2002 assistante à la Fondation Jean Arp, Clamart. Entre 2002 et 2003 attachée de recherche au Centre allemand d'histoire de l'art dans le cadre du projet «Deutsch-französische Kunstvermittlung 1870-1940». Depuis 2004 responsable de l'édition critique de la correspondance entre Henri Fantin-Latour et Otto Scholderer. Elle est directrice scientifique et responsable du service des publications en langue française du Centre allemand d'histoire de l'art. Elle publie régulièrement dans la Revue de l'art.
Les principaux domaines de recherche de Mathilde Arnoux sont l'art français et allemand du 19e et du 20 siècle, l'histoire des musées, l'histoire de la réception et des transferts culturels