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Élève du Conservatoire royal d'Anvers, Matthias Schoenaerts monte sur les planches pour la première fois, aux côtés de son père, à l'âge de 8 ans.
Il fait ses débuts au cinéma à 15 ans et tient le petit rôle de Wannes Scholliers dans le film Daens, de son compatriote Stijn Coninx, où son père interprète l'évêque de Gand, Antoine Stillemans.
Il apparaît dans un épisode des séries télévisées Patrouille 101 (Flikken) en 2001 et Stille waters en 2002. Cette même année, Dorothée Van Den Berghe le choisit afin de jouer Oscar, un fils révolté en conflit avec son père colérique, dans son premier long métrage remarqué Meisje. En 2003, il est au générique d'un autre premier long métrage, celui du réalisateur Tom Barman, Any Way the Wind Blows. Après ce film, on le retrouve jusqu'en 2005, quasi consécutivement dans huit courts métrages, et le long métrage Ellektra, de Rudolf Mestdagh, où le père de Matthias tourne pour la dernière fois avant son décès survenu le 7 septembre 2006.
En 2006, il incarne Dennis, ce garçon de 26 ans libéré après avoir purgé une peine de prison pour viol, dans Dennis van Rita, de Hilde Van Mieghem. De retour dans son pays après sa carrière hollywoodienne où il a réalisé, entre autres RoboCop, Total Recall ou Basic Instinct, le néerlandais Paul Verhoeven lui offre cette même année le rôle de Joop dans Black Book, ce drame qui se déroule à La Haye, sous l'occupation allemande. Il joue ensuite dans Nadine, de Erik de Bruyn et De muze, de Ben van Lieshout (2007), Loft, de Erik Van Looy où il est Filip Willems, l'un des cinq amis de ce thriller, Linkeroever, de Pieter Van Hees (2008) et My Queen Karo, le deuxième long métrage de Dorothée Van Den Berghe (2009).
En 2010, après son rôle secondaire de Samuel Verbist dans Pulsar, d'Alex Stockman, il est engagé pour la première fois par un réalisateur française, en l'occurrence Franck Richard, pour son film fantastique La Meute, dont les têtes d'affiche sont Yolande Moreau, Émilie Dequenne et Benjamin Biolay.
En 2011, il crève l'écran dans Tête de bœuf (Rundskop), de Michaël R. Roskam. Il est Jacky Vanmarsenille, un éleveur bovin flamand, irascible et dopé aux hormones afin de faire face à un traumatisme d'enfance et Matthias a du prendre 30 kg de muscles pour incarner ce personnage.
À la recherche de l'acteur pour Ali, l'un des personnages principaux avec Stéphanie, jouée par Marion Cotillard, de De rouille et d'os, Jacques Audiard choisit finalement Matthias Schoenaerts, après avoir testé plus de 200 personnes.
L'acteur belge est Filip dans Loft le remake américain du film de 2008, également réalisé par Erik Van Looy. L'action est transposée d'Anvers à La Nouvelle-Orléans et Matthias reprend le même rôle tenu dans la version belge initiale.