Er entstammte der Adelsfamilie Mattei. Mattei empfing um 1817 die Priesterweihe und wirkte danach als Prälat an der Kurie. Papst Gregor XVI. ernannte ihn am 2. Juli 1832 zum Kardinaldiakon der Titeldiakonie "Santa Maria in Aquiro". Von 1842 bis 1844 war er Kardinalpriester der Titelkirche "Santa Maria degli Angeli". 1844 wurde Mattei Kardinalbischof von Frascati. Die Bischofsweihe spendete ihm Kardinal Vincenzo Macchi, Bischof von Porto e Santa Rufina, Mitkonsekratoren waren Fabio Maria Asquini, Lateinischer Patriarch von Konstantinopel, und Erzbischof Ludovico Tevoli, päpstlicher Almosenier. Mattei nahm am Konklave von 1846 teil, das Papst Pius IX. erwählte. Von 1860 bis zu seinem Tode im Jahre 1870 war Mattei Dekan des Kardinalskollegiums. Er war auch Apostolischer Legat in Velletri. Kardinal Mattei gehörte zu den Teilnehmern des Ersten Vatikanischen Konzils 1869–1870.