Rémy Mathieu débute le chant à 7 ans et entre à la Maîtrise des Petits Chanteurs de Monaco où il reste pendant 11 ans. Il fait ses études au Conservatoire de Nice ainsi qu'au Conservatoire National Supérieur de Musique de Lyon à 18 ans. Le programme ERASMUS lui permet de travailler le temps d'une année avec le ténor Francisco Araiza à Stuttgart. Le ténor commence sa carrière de soliste en 2010 avec l'Ensemble Justinana dans Renard de Stravinsky, où il joue le rôle du Coq. Il intègre en 2012 le studio de l'Opéra de Lyon puis chante dans Le Contrat de mariage de Rossini (Eduardo) à Versailles. Il obtient par la suite son master en 2013. Toujours étudiant, il est engagé en 2013 par Olivier Py pour jouer dans la production de Claude de Thierry Escaich et Robert Badinter, une première mondiale à Lyon, où il se fait remarquer.

En 2013, il incarne Monostatos dans La Flûte enchantée de Mozart à Lyon et Laerte dans Hamlet d'Ambroise Thomas à La Monnaie de Bruxelles dans une nouvelle production d'Olivier Py. En 2014, Rémy Mathieu se produit à Marseille dans Moïse et Pharaon (Rossini), sous la baguette de Paolo Arrivabeni. En 2015, il est Roland dans Les Chevaliers de la Table Ronde de Hervé pour une tournée organisée par la troupe des Brigands, qui passe par une dizaine de maisons dont Massy, La Fenice, Bordeaux, Nantes ou Toulon. En 2016, il est Drogan et L’Ermite du ravin dans Geneviève de Brabant (Offenbach) à Nancy. L’année suivante, il interprète Ferrando dans Cosi fan tutte (Mozart) à Massy puis Siébel (en version ténor) dans Faust de Gounod en Avignon, où il revient en 2018 pour prendre le rôle du Chevalier de La Force des Dialogues de Carmélites (Poulenc). Il interprète ensuite Bobinet dans La Vie Parisienne à Marseille et Mochkou dans Kassya au Festival de Montpellier. Sous la baguette de Marc Minkowski, il chante Le Marquis de Tarapote dans La Périchole en concert à Salzbourg. En 2019, il est Blondel dans Richard Cœur-de-Lion de Grétry à Versailles. 

En 2020/2021, Rémy Mathieu chantera Gaston dans La Traviata à Massy et Reims au mois de mai.