Mathilde est un petit astéroïde du type C, qui appartient à la ceinture principale. De forme irrégulière et d'une soixantaine de kilomètres de diamètre, l'objet apparaît très sombre. Cela a permis de lui supposer une composition comparable à celle des météorites de la famille des chondrites carbonées. Et dans ce cas, pour justifier de sa masse, évaluée grâce à la sonde Near, il faut lui supposer une grande porosité.

L'astéroïde est par ailleurs couvert de nombreux cratères. Le cratère visible au premier plan aurait une dizaine de kilomètres de profondeur. Sa période de rotation sur lui-même est de 17,4 jours. Ce qui est très lent pour un objet aussi petit.