Hijo de Tommaso Mattioli y de Giulia, de quienes se ignora el linaje, fue bautizado en la catedral de Faenza. Comenzados sus estudios de música, a los dieciséis años entró como cantor al servicio del capítulo metropolitano de la catedral de Faenza. En 1633 le fue conferido con el voto unánime de los canónigos la calificación de 'mansionario', en la que fue reconfirmado hasta 1634, cuando, después de obtener dos años consecutivos un juicio negativo, fue privado del compromiso. Ordenado sacerdote, continuó su carrera musical y en 1639 se publicó en Venecia una "Compieta a quattro", dedicada al obispo Francesco Giustiniani. Tres años después obtuvo el cargo de sacerdote prebendado y maestro di cappella de la catedral de San Cassiano en Imola, como lo demuestra el frontispicio de sus "Hinni sacri concertati a una, due, tre, cinque, e sei voci, con instromenti e senza… opera seconda", impreso en Venecia en 1646.

La actividad de compositor le permitió adquirir una cierta reputación incluso fuera de las ciudades en las que había trabajado. Una carta suya desde Faenza del 2 de septiembre de 1648 documenta, de hecho, el envío de algunas composiciones a Ferrara, encargadas por el marqués Cornelio Bentivoglio. Siempre en el ambiente de Ferrara parece estar conectada una "Messa da requiem", ahora perdida, probablemente compuesta para el 'funerale solennissimo' del marqués Guido Villa, llevado a cabo en Ferrara a principios de 1649. A Cornelio Bentivoglio y a su familia Mattioli se ligó siempre muy estrechamente, tanto como para ser llamado en 1650 a Ferrara como maestro di cappella de la Academia del Espíritu Santo, una de las tres instituciones estables que en aquel tiempo animaban la vida musical de la ciudad, junto con la Academia de la Muerte y con la capilla de la catedral.

Las dos academias de música ferraresas, nacidas como emanaciones de hermandades de caridad, mantenían un conjunto vocal e instrumental que presataba servicios en iglesias en las que tenían sede, y a veces incluso afuera durante eventos públicos especiales. Siendo la Academia del Espíritu Santo gobernada casi en su totalidad por la familia Bentivoglio, que protegía a los músicos de la institución y los utilizaba con gran libertad, Mattioli se encontró, de hecho, dependiendo del marqués Cornelio. Aunque Mattioli eran pagado por la Academia (financiada por contribuciones de sus miembros), recibía de C. Bentivoglio el usufructo de una finca agrícola; obtuvo después, en 1653, la vicaría perpetua de la parroquia ferraresa de San Romano, gracias a una recomendación del marqués a su hermano Aníbal, que era prior. Esto no impedía sin embargo a Mattioli aceptar encargos externos, siempre que fueran compatibles con su mandato y previo consentimiento del marqués, circunstancia que no dejó de crear en varias ocasiones discrepancias con el protector.

Sin duda, tiene relación con el nexo con Bentivoglio y el animado clima musical de la ciudad el creciente interés que Mattioli manifestó en su enfrentamiento con la ópera durante los años de su estancia en Ferrara. En 1650 dos de sus óperas se realizaron en Ferrara: "La palma d’amore" (a fines de febrero, en el teatro de San Lorenzo, con motivo del matrimonio de Francesco Maria Estense Mosti con Caterina Pio di Savoia) e "Il ratto di Cefalo" (26 de junio, en el teatro de Sala grande), ambas con libreto de Francesco Berni. El mismo grupo (al que hay que añadir como cuarto miembro permanente a C. Bentivoglio como creador y proveedor de fondos) organizó otras dos obras en el carnaval del año siguiente, sempre en el teatro de la Sala grande: una reposición de "Il ratto di Cefalo" y "L’esiglio d’Amore". Esta segunda ópera, que Mattioli compuso en colaboración con Filiberto Laurenzi, fue repuesta en mayo, con la adición de un nuevo prólogo dedicado al cardenal asociado Benedetto Odescalchi, para celebrar la llegada a la ciudad de su hermano y la esposa de este último. Las últimas óperas realizadas en Ferrara por Mattioli, en colaboración con el libretista Berni y el escenógrafo Pasetti, fue "Gli sforzi del desiderio" (una recreación dramática musical presentada en 1652 en una sala del palacio Miroglio para la pasada por Ferrara de los archiduques del Tirol ) y "L’Antiopa", el 23 y 24 de febrero de 1653, de nuevo en el teatro de la Sala grande.

En 1653 Mattioli publicó en Venecia la colección "Messa e salmi concertati a tre, quattro, e cinque voci… opera terza", que incluye diversas composiciones sacras escritas para el servicio en la Academia del Espíritu Santo, como él mismo dice en la dedicatoria a Cornelio Bentivoglio príncipe de la misma academia.

La colaboración con los Bentivoglio terminó a fines de 1654, cuando se produjeron serios desacuerdos entre ellos y Mattioli, que se vio obligado a abandonar su puesto en la Academia del Espíritu Santo. Problemas ya debían haber ocurrido, si es cierto que Mattioli había tratado de encontrar un trabajo en su Faenza natal. En una reunión del 28 de enero de 1653, de hecho, los canónigos de la catedral de Faenza incluso lo habían nombrado maestro di cappella y mansionario; pero la cosa no prosperó y Mattioli fue rápidamente sustituido por Orazio Tarditi. Impaciente por un nuevo retraso en el pago de salarios, Mattioli presentó una denuncia contra el jefe de la Academia de Ferrara, sin tener en cuenta el descrédito que su gesto traería a la institución y a su príncipe C. Bentivoglio. La reacción más violenta llegó no tanto del marqués sino de Annibale Bentivoglio, que desde Roma escribió una dura carta a su hermano, acusándolo de ser responsable del incidente por haber recomendado a Mattioli y amenazándo a este último con represalias por la conducta habida. Mattioli fue despedido de la Academia del Espíritu Santo, siendo sucedido por Giuseppe Tricarico; sin embargo por el momento Mattioli pudo retener el cargo en San Romano. Él, sin embargo, se mantuvo como el compositor más apreciado activo en Ferrara, a pesar de que la posibilidad de obtener un empleo musical de prestigio y estable se había hecho prácticamente nula.

A pesar del incidente, las relaciones con C. Bentivoglio no se interrumpieron por completo; el marqués, responsable de los festejos con ocasión de la parada en Ferrara de Cristina de Suecia en camino a Roma, quiso coronarla con la puesta en escena de una ópera. Desvanecida la posibilidad de obtener de Benedetto Ferrari un trabajo completamente nuevo, se dirigió a Mattioli a fin de que pusiera música con gran prisa a un texto de Almerico Passarelli, la "Oritia", que fue puesta en escena en presencia de la soberana en el teatro de la Sala grande el 24 de noviembre de 1655. La apreciación global de la parte musical de la ópera no fue suficiente para resolver los problemas de Mattioli, que se vio obligado a aceptar encargos que se le ofrecían de otras ciudades. En enero de 1656, premunido de una recomendación del cardenal Carlo Pio di Savoia, obispo de Ferrara, fue a Mantua para escribir la música para una comedia que el duque Carlo II Gonzaga Nevers había decidido de repente preparar; en la primavera fue puesta en escena en Bolonia su "Didone" sobre libreto de Paolo Moscardini. En los últimos meses del año la ruptura con Ferrara se hizo definitiva. Llamado a Mantua como maestro di cappella del duque, en octubre Mattioli dejó la vicaría de San Romano a cambio de un nuevo beneficio en Romagna y el mes siguiente se instaló definitivamente en la corte de los Gonzaga.

Al servicio de los dos últimos duques de Mantua Mattioli pasó el resto de su vida, y desde entonces siempre fue calificado y firmó todas las obras impresas como maestro di cappella de esa corte. En 1658 fue temporalmente en Roma, donde, precisamente, con el título de 'maestro di cappella de Su Alteza Serenísima de Mantua', aparece en un elenco de extranjeros que habitaban en la parroquia de San Pedro, junto con Giovan Battista Maggi, también músico del duque. En septiembre de 1659 Mattioli estaba de vuelta en Mantua, desde donde escribió a Ferrara a fin de solicitar la devolución de los originales de su música, en manos de los Bentivoglio, que necesitaba para el servicio del duque. Tres años más tarde se puso en escena en el teatro del Castillo en Mantua "L'Artabano", sobre libreto del marqués Annibale Lanzoni, luego repuesta en el mismo teatro en 1664. Sin embargo fue fuera de Mantua que se desarrolló la mayor parte de su actividad operística. Para Ferrara compuso "La Filli di Tracia", con libreto de Ippolito Bentivoglio, hijo de Cornelio, representada en el nuevo teatro Bonacossi de San Esteban en el carnaval de 1664. Al año siguiente fue llamado a Venecia por los Grimani para dirigir la temporada de su teatro de los Ss. Giovanni e Paolo, para la que proporcionó un nuevo trabajo ("Il Perseo" sobre libreto de Aurelio Aureli) y reelaboró "Il Ciro" de Giulio Cesare Sorrentino ya puesto en música por Pierro Francesco Cavalli, añadiéndole nuevas arias. En el período de Mantua salieron dos ediciones de música sacra: los "Salmi a otto voci pieni, e brevi alla moderna… opera quarta" (Venecia, 1671) dedicada al gran duque de Toscana Cosimo III de Medici, en cuyo frontispicio al calificativo de maestro di cappella añadió el de canónigo, y la "Harmonia sacra dedota [sic] del concerto di salmi, motetti, inni e antifone a voci sole con violini" (Venecia, 1675).

Mattioli murió en Mantua en 1679; al año siguiente, el duque Ferdinando Carlo Gonzaga concedió una patente de familiaridad al nieto, Nicolò Ferniani, en reconocimiento de los méritos que ganó durante el servicio a la corte. Según Schmidl Mattioli era un fraile franciscano. Poca de su música secular sobrevive; sus obras sacras van desde motetes solos concertados en varias secciones contrastantes a música de salmos ‘alla moderna' para dos coros.