Mathisson ging in Warschau aufs Gymnasium, wobei er bei seinem Abschluss 1915 eine Goldmedaille erhielt. Er studierte zunächst Bauingenieurwesen am Polytechnikum in Warschau (wobei er sich als technischer Zeichner finanzierte) und ab 1917 Physik an der Universität Warschau, unterbrochen vom Militärdienst 1918 bis 1920, als Polen mit Russland im Krieg war. Danach setzte er sein Studium in Krakau und Kasan fort, musste nach dem Tod seines Vaters erneut das Studium unterbrechen. 1925 wurde er bei Czesław Białobrzeski (1878–1953) promoviert ("Sur le movement d'un corps tournant dans un champ de gravitation"). Danach bestritt er seinen Unterhalt durch Berechnungen für Bauingenieure und Übersetzungen (er sprach neben Polnisch fließend Hebräisch, Russisch, Deutsch, Englisch, Französisch). 1932 habilitierte er sich und war Privatdozent an der Universität Warschau. 1936 war er ein Jahr lang Professor an der Universität Kasan. 1937 kehrte er zurück nach Warschau, war dort aber nur wenige Monate (er war auch nie fest an der Universität angestellt). Seine Arbeit "Neue Mechanik materieller Systeme" verschaffte ihm auch international Anerkennung (Niels Bohr lud ihn nach Kopenhagen ein), und er erhielt ein Stipendium um in Krakau zu forschen, wo Jan Weyssenhoff die theoretische Physik leitete. Er blieb dort zwei Jahre. 1939 unternahm er eine weitere Auslandsreise nach Paris und Cambridge, wo er unter anderem in Kontakt mit Paul Dirac kam. Mathisson starb 1940 an Tuberkulose in Cambridge. Dirac gab seine letzte Arbeit nach Mathissons Tod heraus und schrieb einen kurzen Nachruf in Nature.