Mathilde war eine ostfränkische Adlige hoher Geburt. Wahrscheinlich waren ihre Eltern der Markgraf Liudolf von Friesland und dessen Ehefrau Gertrude von Egisheim aus der Sippe der Brunonen. Diese Filiation ist quellenmäßig nicht zu belegen, sie wird allerdings aus der mehrfach auftretenden Bezeichnung Mathildes als neptem des römisch-deutschen Kaisers Heinrich III. erschlossen, der wiederum ein Halbbruder von Liudolf und damit ihr Onkel gewesen wäre. Auch wäre sie damit mütterlicherseits eine Nichte des Bischofs Bruno von Toul gewesen, der 1049 als Leo IX. zum Papst gewählt wurde.
Ihre Ehe mit dem westfränkisch-französischen König Heinrich I. wurde bei einem Treffen mit diesem im lothringischen Ivois im Jahr 1034 von Kaiser Konrad II. vereinbart, der wohl ihr angeheirateter Großvater war. Kurz zuvor war dessen eigene Tochter gestorben, die auch Mathilde hieß und die ebenfalls schon mit dem westfränkischen König verlobt war. Zum Zeitpunkt ihrer Eheschließung war Mathilde erst zehn Jahre alt, trotzdem gibt es keinen Zweifel darüber, dass die Ehe bereits kurz nach der Trauung vollzogen wurde. Um das Jahr 1040 gebar sie eine Tochter, allerdings verstarben Mutter und Tochter in kurzem Abstand zueinander im Jahr 1044. Mathilde wurde in der Abtei von Saint-Denis beigesetzt, ihre Grabstätte ist jedoch nicht mehr erhalten.
Nach ihrem Tod verheiratete sich Heinrich I. in zweiter Ehe mit Anna von Kiew.
