Il étudie au lycée français de Berlin avant de continuer sa scolarité au lycée Henri-IV, à Paris. Il intègre l’École normale supérieure de Lyon, l’Institut d’études politiques de Paris (2001) puis l’École nationale d’administration. Il est également titulaire de maîtrises d’allemand et de philosophie.

Il entre au PS en 2001 et est d’abord proche de Bertrand Delanoë. Il s’engage ensuite dans À gauche, en Europe, un club de réflexion social-démocrate dans lequel il se rapproche de Pierre Moscovici et de Dominique Strauss-Kahn.

Il est élu conseiller municipal de Marmande en 2008 et devient adjoint aux Finances du maire Gérard Gouzes. Matthias Fekl est aussi conseiller régional de la région Aquitaine et vice-président chargé du développement économique, de l’emploi et des entreprises.

Lors des élections législatives de 2012, il arrive en tête du premier tour avec 35,09 % des suffrages. Au second tour, il l’emporte avec 53,65 % des voix exprimées face au député sortant Michel Diefenbacher8, faisant de lui le plus jeune député d’Aquitaine. Sa suppléante est Régine Povéda, maire socialiste de Meilhan-sur-Garonne.

Le 28 juin 2012, il est nommé à la commission des Lois de l’Assemblée nationale, présidée par Jean-Jacques Urvoas. Il est aussi membre du groupe d’amitié franco-allemand. Fekl a aussi été chargé par le premier ministre Jean-Marc Ayrault d’un rapport sur le séjour des étrangers et l’immigration en France.

Le 4 septembre 2014, il est nommé secrétaire d’État au Commerce extérieur, de la promotion du tourisme et des Français de l’étranger, à la suite de la démission de Thomas Thévenoud.