Elle a été auparavant conseillère santé publique et handicap, au cabinet du Premier Ministre, Gabriel Attal. Durant trois ans, de 2012 à 2015, Mathilde Marmier avait également occupé les fonctions de conseillère aux questions de société, de droits des usagers, de la santé mentale et des populations vulnérables au sein du cabinet de la ministre des affaires sociales et de la santé, Marisol Touraine.

Sa carrière l’a ensuite conduite au conseil départemental de Seine-Saint-Denis pendant quatre ans (2015-2019) en tant que responsable de la stratégie maladies infectieuses puis cheffe du service de prévention et des actions sanitaires. 

En 2019, Mathilde Marmier a été nommée responsable adjointe du département produits de santé à la Caisse Nationale de l’Assurance maladie (CNAM), avant de rejoindre la Ville de Paris, en 2020, où elle a été successivement médecin cheffe du service de de la Protection Maternelle et Infantile (PMIPetites et moyennes industries Protection maternelle et infantile), puis sous-directrice santé des enfants, parentalité, santé sexuelle, jusqu’en janvier 2024, au sein de la direction de la santé publique (800 agents).