Matthew Barley è nato a Londra e si è formato presso la Guildhall School of Music and Drama di Londra e il Conservatorio di Mosca. Ha debuttato a Londra come solista eseguendo il concerto per violoncello di Shostakovich alla Barbican Hall con la London Symphony Orchestra, in qualità di finalista del concorso LSO-Shell. Il suo primo CD, del 2003, intitolato The Silver Swan for Black Box, era una raccolta di brani per violoncelli sovrapposti, tutti registrati da lui stesso utilizzando tecniche innovative di sovrapposizione di voci senza l'ausilio di un metronomo elettronico. Il suo CD successivo, Reminding, con musiche sovietiche per violoncello e pianoforte, è stato pubblicato da Quartz nel settembre 2005.
Come solista e musicista da camera si è esibito in oltre 50 paesi, collaborando con orchestre prestigiose come la BBC Philharmonic Orchestra, la BBC Scottish Symphony Orchestra, la Czech Philharmonic Orchestra, la Hong Kong Sinfonietta, la Melbourne Symphony Orchestra, la Netherlands Radio Symphony Orchestra, la New Zealand Symphony Orchestra, la Royal Liverpool Philharmonic Orchestra e la Royal Scottish National Orchestra, sotto la direzione di direttori d'orchestra del calibro di Marin Alsop, Thomas Dausgaard, Tan Dun, Charles Hazlewood, Markus Stenz, Yan Pascal Tortelier e Ilan Volkov.
Si è esibito in festival a Lucerna, Schleswig-Holstein, Bonn-Beethovenfest, Hong Kong, Lanaudière, Abu Dhabi, Cracovia, nella City di Londra e in alcune delle più grandi sale da concerto del mondo: la Wigmore Hall di Londra, la Royal Albert Hall, il Concertgebouw di Amsterdam, la Kumho Hall in Corea, la Casals Hall di Tokyo, il Rudolfinum di Praga e il Teatro Colón di Buenos Aires. Un aspetto fondamentale dei suoi recital è la fusione di repertorio in modi insoliti, accostando suite di Bach al jazz e all'improvvisazione. È particolarmente interessato alla musica elettronica, avendo commissionato opere a numerosi compositori tra cui Dai Fujikura, Peter Wiegold, DJ Bee, John Metcalfe e Jan Bang. Ha inoltre eseguito in prima assoluta brani scritti per lui da James MacMillan, Thomas Larcher, Detlev Glanert, John Woolrich e Fraser Trainer.
Tra le collaborazioni di Barley in ambito classico si annoverano quelle con Matthias Goerne, le sorelle Labeque, Martin Fröst, Viviane Hagner e Thomas Larcher. Tra le collaborazioni non classiche figurano quelle con Avi Avital, Manu Delago, Ustad Amjad Ali Khan, Jon Lord (Deep Purple), Talvin Singh, Sultan Khan, Nitin Sawhney, Django Bates e i pianisti jazz Julian Joseph e Nikki Yeoh.
Nel 2013 Barley ha effettuato un tour nel Regno Unito per celebrare il centenario della nascita di Benjamin Britten, tenendo 100 concerti e workshop nel corso dell'anno.