Matthaei nació en Kensington nuna familia d'ascendencia alemana, suiza y francesa. Yera fía del comerciante comisionista Carl Hermann Ernest Matthaei y de la música Louise Henriette Elizabeth Sueur, y tenía un hermanu y trés hermanes más pequeñes, incluyendo a Louise Howrard. Matthaei asistió a la escuela pa moces North London Collegiate School y a Newnham College, Cambridge, y depués trabayó como asistente de Frederick Blackman, produciendo importantes trabayos sobre respiración celular. Ente 1902 y 1905, Blackman y Matthaei propunxéronse estudiar el rol de la temperatura na fotosíntesis y realizaron el primer esperimentu pa tal fin, afayando que la fixación de carbonu ta basada en reacciones bioquímiques que dependen de la temperatura. A pesar de que l'esperimentu ye conocíu incorreutamente como la reacción de Blackman, una gran parte del trabayu foi llevada a cabu por Matthaei y la publicación científica presentada en 1904 a la Royal Society por Francis Darwin lleva solo'l so nome.