Mathlouthi est convoqué avec la sélection tunisienne pour la première fois pour remplacer Adel Nefzi qui n'est pas apte à disputer le match de qualifications pour la CAN 2008 (Tunisie 3-0 Seychelles le 23 mars 2007). Depuis lors, il est constamment convoqué. En 2011, il gagne son premier titre en sélection, le championnat d'Afrique des nations.