Après un parcours HEC, Matthieu Gilles a travaillé à l'IMAJ jusqu'en 1999. Il a ensuite étudié à l'Université de la Sorbonne où il a obtenu une Maîtrise d'histoire de l'art en 2002.
Par la suite, il a occupé le poste de directeur du musée d'Epinal, puis celui de conservateur des collections des XVIIe et XVIIIe siècles et du cabinet d'arts graphiques au musée de beaux-arts de Dijon. Depuis le départ de Sophie Jugie, il y occupe le poste de directeur par intérim, ainsi que celui de responsable du département scientifique.
Il a été commissaire sur plusieurs expositions, dont celle consacrée à Sophie et François Rude en 2012-2013.