Matilainen sijoittui 3 000 metrin estejuoksussa neljänneksi sekä Los Angelesin 1932 olympialaisissa että Berliinin 1936 olympialaisissa. Los Angelesissa juostiin toimitsijoiden virheen vuoksi yksi kierros liikaa, ja Matilainen menetti mitalimahdollisuutensa kaatumiseen tällä ylimääräisellä kierroksella. Hän sijoittui Torinon EM-kilpailuissa 1934 kuudenneksi 1 500 metrin juoksussa. Hän edusti Suomea kuudessa maaottelussa ja saavutti kolme lajivoittoa.
Seuratasolla Matilainen edusti Iisalmen Visaa, Helsingin Kisa-Veikkoja, Vuoksenniskan Urheilijoita ja Valkeakosken Hakaa. Hän voitti Suomen mestaruuden 1 500 metrillä vuosina 1934 ja 1936, 3 000 metrin esteissä vuonna 1934 sekä 4 × 800 metrillä vuonna 1937. Hän saavutti SM-hopeaa esteissä vuosina 1933, 1936 ja 1939 sekä SM-pronssia esteissä vuonna 1938 ja 1 500 metrillä vuosina 1937 ja 1938.
Matilainen oli ammatiltaan kauppias. Hän oli Mestariurheilijat-kerhon perustajajäseniä. Hänen veljistään Jukka Matilainen ja Kalle Matilainen olivat myös yleisurheilun olympiaedustajia sekä Erkki Matilainen taidemaalari ja pikajuoksun SM-mitalisti. Hänen vävynsä Pekka Vasala voitti olympiakultaa 1 500 metrin juoksussa.
