W kolejnych latach treningi lekkoatletyczne łączył z nauką na Stanford University oraz występami w futbolu amerykańskim. W 1952 wystąpił m.in. w przegranym meczu Rose Bowl. W czerwcu 1950 w rodzinnym Tulare jako pierwszy dziesięboista przekroczył granicę ośmiu tysięcy punktów, ustanawiając rekord świata na poziomie 8042 punktów. Dwa lata później jako pierwszy lekkoatleta obronił tytuł mistrza olimpijskiego w dziesięcioboju (w okresie międzywojennym dwukrotnie triumfował Fin Eero Lehtonen, ale rozgrywano wówczas pięciobój), ustanawiając na igrzyskach w Helsinkach nowy rekord świata (7887 punktów po zmianie punktacji). O ponad 900 punktów wyprzedził srebrnego medalistę Miltona Campbella, który cztery lata później zastąpił go na najwyższym stopniu podium. Był mistrzem Stanów Zjednoczonych (AAU) w dziesięcioboju w latach 1948–1950 i 1952.
Po helsińskich igrzyskach Mathias zakończył karierę sportową i pozostał niepokonany w dziesięcioboju (w latach 1948–1952 wystąpił w 9 zawodach, licząc też olimpijskie starty, wszystkie wygrywając). W latach 1977–1983 kierował Narodowym Centrum Przygotowań Olimpijskich w Colorado Springs.