W reprezentacji Tunezji Mathlouthi zadebiutował 5 marca 2014 w zremisowanym 1:1 towarzyskim meczu z Kolumbią. W 2015 roku został powołany do kadry na Puchar Narodów Afryki 2015. Zagrał na nim w trzech meczach: z Republiką Zielonego Przylądka (1:1), z Demokratyczną Republiką Konga (1:1) oraz w ćwierćfinale z Gwineą Równikową (1:2).