En 2011, en catégorie espoirs, il gagne notamment le Girobio, se classe troisième du championnat d'Italie du contre-la-montre espoirs et du Tour de l'Avenir, et cinquième du championnat d'Europe sur route espoirs. L'année suivante, il est à nouveau troisième du Tour de l'Avenir.
En 2013, Mattia Cattaneo devient coureur professionnel au sein de l'équipe Lampre-Merida, où il a été stagiaire à partir d'août 2012. Lors de cette première saison, il dispute le Tour d'Italie, qu'il quitte lors de la septième étape à cause d'une chute. À partir du mois de juin, il ressent fréquemment des vertiges, s'évanouit plusieurs fois. Il est mis au repos pendant plusieurs mois. En fin d'année, des tests médicaux écartent le risque d'un problème cardiaque héréditaire et l'autorisent à reprendre la compétition en 2014[1]. Lors du Tour d'Italie 2014, il est échappé et prend la huitième place de la quatorzième étape. Il termine ce Giro à la 64e place. À la fin de cette saison, le contrat qui le lie à Lampre-Merida est prolongé de deux ans[2].
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