Mathilde Battenberg nahm ab 1895 privaten Unterricht im Städel-Atelier der Malerin Ottilie W. Roederstein, die zu einer wichtigen Mentorin und Freundin wurde. Dank Roedersteins Unterstützung erhielten Mathilde Battenberg und ihr Bruder Ugi, den die Künstlerin ebenfalls ausbildete, 1899 ein Stipendium des Städelschen Kunstinstituts für einen Studienaufenthalt in Paris. Dort belegte Mathilde Battenberg Kurse an der Académie Colarossi bei Charles Cottet, Lucien Simon und Johan Frederik Thaulow. Nach Paris folgten mehrere Reisen (Frankreich, Italien, Niederlande) und 1905 ein längerer Aufenthalt in Berlin. Ab 1907 war Battenberg als freischaffende Malerin von Porträts, Stillleben und Landschaften in Frankfurt tätig. Sie mietete ein eigenes Atelier am Städelschen Kunstinstitut und begann selbst zu unterrichten. Zu ihren Schülerinnen zählten Milli Langebartels und Lilly Hauck. Ab 1900 bis mindestens 1934 war Battenberg regelmäßig in Ausstellungen vertreten, so etwa in den Jahresschauen des Frankfurter Kunstverein, im Kunstsalon Ludwig Schames (1915, 1917), in der Kunsthandlung J.P. Schneider (1900, 1908), aber auch im Salon de la Société nationale des Beaux-Arts in Paris (1903) und auf der internationalen Ausstellung im Münchner Glaspalast (1907). Sie engagierte sich zudem spätestens ab 1930 in der Frankfurter GEDOK für bessere Ausbildungs- und Ausstellungschancen von Künstlerinnen.
