Sa première apparition publique d'importance date de 1940 à la Biennale de Venise et en 1943 a lieu à Florence sa première exposition personnelle grâce à Ottone Rosai.
Au cours des années 1940-1950, Carlo Mattioli se consacre à l'illustration de livres ; cette activité connaît son apogée dans les années 1960, avec des gravures et lithographies : Ragionamenti de Pietro Aretino ; La Chartreuse de Parme et Vanina Vanini de Stendhal, Sonetti de Guido Cavalcanti, Belfagor de Machiavel, Canzoniere de Pétrarque, La Venexiana, comédie théâtrale d'auteur anonyme du XVIe siècle.
