És filla de mare francesa i del músic senegalès Wasis Diop, i neboda del cineasta Djibril Diop Mambety.[3][4] Va néixer i créixer a París, on es va formar com a artista plàstica. Influenciada pel treball cinematogràfic del seu oncle, va decidir seguir-lo en la carrera cinematogràfica.[2][4] Es va unir al Pavillon, laboratori de recerca artística del Palais de Tòquio el 2006, i a l'Estudi Nacional d'Art Contemporani de Fresnoy el 2007.[1][3][4] El 2018 va realitzar el seu primer llargmetratge, Atlantique, a partir d'un curt que havia filmat anys enrere, Atlantiques. La pel·lícula va guanyar el Gran Premi del Jurat en el Festival de Cinema de Cannes 2019.[5][6]
Tot seguit, el primer llargmetratge de Mati Diop va recórrer diferents festivals cinematogràfics –Toronto, Sant Sebastià, Estocolm,...–, i va obtenir diversos premis, entre els quals el Gran Premi del Jurat al Festival Internacional de Cinema de Toronto.[7][8]
L'any 2024 va guanyar l'Ós d'Or a la Berlinale amb el documental Dahomey, dedicat a la qüestió de la restitució per part de França de les obres d'art robades al Dahomey, l'actual Benín.[9]
