Kể từ trận đấu ở đội tuyển quốc gia đầu tiên, Mathijsen đã trở thành thành phần nòng cốt trong đội tuyển, đặc biệt sau khi gây ấn tượng tại Hamburg. Anh thường chơi ở vị trí trung vệ trái, bởi anh thuận chân trái. Anh được triệu tập vào đội hình đội tuyển bóng đá quốc gia Hà Lan ở Euro 2008 ở Áo và Thụy Sĩ. Đứng trước nguy cơ bị mất chỗ đứng vào tay Wilfred Bouma, anh ngay lập tức có những màn trình diễn đủ thuyết phục để có vị trí chính thức.