En 2006, se convirtió en el tercer futbolista chileno en conseguir el premio como el mejor jugador de América,[9]​ y el único en lograrlo jugando en Chile.

[10]​ Inició su formación como futbolista en Unión La Calera, club de la ciudad donde se asentó tras su llegada a Chile.

[12]​[13]​[14]​[15]​ Ese mismo año se confirmó su traspaso al Villarreal de la primera división española,[16]​ en el que permaneció durante tres temporadas sin conseguir repetir la versión mostrada en Chile.

[20]​ Según la prensa, su estadía en Florencia ha sido la mejor desde su llegada a Europa, logrando acercarse al nivel exhibido en 2006.

[21]​ Fue internacional absoluto con la selección chilena desde su debut en 2005 ante Perú, mismo elenco ante el que se estrenó como goleador un año después.

En la última, celebrada en Chile, se consagró campeón, siendo este el primer título en la historia de la selección chilena.

[27]​ Y así en el Torneo de Clausura, Colo-Colo llegó a semifinales siendo eliminado por Cobreloa que sería el campeón.

Matías jugó 1.465 minutos en 21 encuentros y fue el máximo artillero del equipo colocolino dirigido por Ricardo Dabrowski.

Colo-Colo llegó a la final de la Copa Sudamericana, en la que serían derrotados por el Pachuca y ganó el Torneo Clausura 2006.

En ese año ganó el premio al Futbolista del año en Sudamérica (62 votos) superando en varios puntos a Rodrigo Palacio y Fernando Gago, premio que recibió tres años más tarde por mano del editor del diario El País de Uruguay, Jorge Savia, ya que no pudo asistir a la ceremonia de entrega debido a su traspaso al fútbol español.

En su segunda temporada comenzó con un triunfo ante Valencia como visitante por 3:0, Matías fue víctima de un penal y asistió a Santi Cazorla.

Días más tarde por la Copa UEFA asistió a Cani en el triunfo 2:0 del Villarreal ante el BATE Borisov.

Paralelamente jugó por la selección chilena y en su regreso a su club, asistió dos veces ante el Mlada Boleslav por la Copa UEFA asegurando el 2:1.

Al retornar, el club estaba sumido en crisis, el equipo no ganaba y la salida del nuevo entrenador Paulo Sergio parecía inminente.

[34]​ Además sería compañero del también chileno David Pizarro, quien llegó al equipo desde la AS Roma en agosto de 2012.

[35]​ Debutó el 2 de agosto ante el Fassa Calcio, donde fue suplente e ingresó en el segundo tiempo, pero solo jugó 18 minutos porque sufrió una lesión muscular y fue reemplazado.

[42]​ Este torneo fue negro tanto para Matías como a la selección chilena en general, ya que Chile cayó eliminado en la fase de grupos, tras perder tres partidos (contra Uruguay, Ecuador y Brasil), y tan solo ganar un partido (a Venezuela.

[45]​ Después, el 20 de enero, Chile sufrió su primera derrotar al caer 4 a 2 ante Brasil; Matías no tuvo la misma incidencia que en el partido anterior.

Matías jugó los 4 partidos que disputó Chile, en los cuales solo marcó 1 gol (el 4-0 frente a Honduras).

[59]​ Tres meses después, anotó un golazo contra Estonia al minuto 21' marcando desde 30 metros el 1-0 parcial, en un encuentro amistoso que Chile ganó 4 a 0 en el Estadio Monumental, Matías salió al minuto 67' por Luis Antonio Jiménez bajó una ovación del estadio.

El 27 de mayo de 2016, en un amistoso previo a la Copa América Centenario ante Jamaica, Fernández ingreso en el entretiempo por Eduardo Vargas, en la derrota por 2-1 del combinado nacional en Viña del Mar, días después Mati se lesionó en un entrenamiento y quedó descartado para jugar la Copa celebrada en Estados Unidos.

[70]​ Comenzó el proceso clasificatorio para Sudáfrica 2010 como titular, participando en el primer partido ante Argentina, que acabó con triunfo albiceleste de 2 a 0.

Regresó en la séptima fecha en la clara derrota por 0-3 contra Brasil donde muy poco pudo hacer, pero logró recuperar su gran en el duelo contra Colombia en Santiago por la Fecha 8, anotando un golazo desde fuera del área con potente derechazo al minuto 71 de partido para marcar el 4-0 final y que sería celebrado efusivamente por el entrenador Marcelo Bielsa, de conocido carácter inexpresivo.

En ese partido, Matías estuvo en cancha solo hasta el minuto 31, siendo reemplazado por Jorge Valdivia, quien fue la figura del encuentro, ya que asistió a Waldo Ponce en el primer gol, anotó el tercero, y asistió a Fabián Orellana en el cuarto, dejando en duda la titularidad de Matías de cara al Mundial.

[81]​ En el siguiente partido, disputado el 11 de octubre, Fernández fue sustituto (ingresó en el minuto 85 por Eduardo Vargas), y la Roja consiguió su primer triunfo, tras ganarle por 4-2 a Perú en el Estadio Monumental.

En el primer partido contra Ecuador por el Grupo C, Matías fue titular y salió en el entretiempo por Miguel Riffo sin ser gravitante en el triunfo 3-2.

Y en el tercero, ya en cuartos de final, ingresó al minuto 66 por Mark González en la estrepitosa caída 1-6 contra el futuro campeón Brasil.

Tras cumplir la fecha de sanción contra México (empate 3-3), jugó el último partido del Grupo contra Bolivia, ingresando en el entretiempo por Arturo Vidal, en el tercer gol le dio un pase a Angelo Henríquez, para que esté asistiera a Charles Aránguiz y anotora su segundo personal en un partido que La Roja ganó por 5-0 y terminó como líder del Grupo con 7 puntos y 10 goles a favor.

En el primer duelo con Honduras por el Grupo H, Matías fue vital en la jugada que le dio a Chile el primer triunfo mundialista después de 48 años, corría al minuto 34 y Matías se junto con Mauricio Isla y este centro al área, su centro choco en un hondureño y el balón le rebotó a Jean Beausejour para que marcase el único gol del partido.

[103]​ En el segundo encuentro contra Suiza jugó hasta el minuto 65 (siendo reemplazado por Esteban Paredes), partido que Chile nuevamente ganó por 1-0 ahora con gol de Mark González.