Mathilde Fibiger blev født den 13. december 1830 i København som det yngste af ni børn. Faren var officer og militærforfatter og blev i 1830 leder af den nyoprettede Militære Højskole, der lå på Kongens Nytorv. Familien Fibiger fik embedsbolig i det gamle Gjethus, der i dag huser Det Kongelige Teater. Hjemmet var præget af stor selskabelighed, og litteratur og politik var ofte på dagsordenen. Men i 1835 blev faren afskediget og familien forflyttet til Vejle. Det fik familiens økonomi til at briste, og kort efter kuldsejlede ægteskabet. Mathilde flyttede sammen med moren og tre andre børn tilbage til København.
Mens Mathildes brødre enten kom på universitetet eller i militæret, fik pigerne ikke megen uddannelse. Omtrent hver anden dag var de hos en ældre dame i Skt. Peders Stræde, som skulle lære dem at læse og skrive, men de fik i højere grad deres uddannelse via den skønlitteratur, de ældste børn læste højt. Børnene skrev også selv digte og dramaer, tegnede og spillede teater.
I 1849 flyttede Mathilde til Lolland som huslærer (guvernante) hos en skovriderfamilie nær Sakskøbing. Under sin ansættelse skrev hun ”Clara Raphael”, som hun debuterede med i en alder af blot 20 år. Romanen vakte stor debat og endte med at koste Fibiger hendes stilling. Sin anden roman, ”En Skizze efter det virkelige Liv”, skrev hun, mens hun boede hos Marie og N.F.S. Grundtvig i Ringsted.
Efter ”Minona” fra 1854 måtte hun lægge forfatterskabet på hylden. Kritikken af værket var så krads, at hun ikke så andre muligheder. Hun fortsatte med sine småjobs som syerske, underviser og porcelænsmaler, som hun med nød og næppe kunne leve af, men i 1856 fik hun tildelt 80 rigsdaler årligt af enkedronning Caroline Amalie – formentlig på opfordring fra Grundtvig. Hun begyndte at oversætte værker fra tysk, bl.a. E.T.A. Hoffmanns ”Nøddeknækkeren og Musekongen” og flere af Berthold Auerbachs romaner. Ved en anden vens hjælp, minister C.E. Fenger, tog hun som den første kvinde en uddannelse som telegraf, og i 1866 blev hun ansat ved Den Danske Statstelegraf som den første kvindelige tjenestemand.
Hun var en del af Dansk Kvindesamfund ved stiftelsen i 1870, og dets hæderspris Mathildeprisen er opkaldt efter hende. Prisen er siden 1970 blevet tildelt personer eller organisationer, der arbejder for at fremme ligestilling og ligeværd mellem kønnene. I 1872 døde Fibiger af lungebetændelse – blot 41 år gammel.