Deux titres et un automne vertigineux
Après une saison 2001 passée à progresser sur les circuits secondaires, Mathieu fait irruption à Roland-Garros en 2002. Invité dans le tableau principal, il se hisse jusqu'aux huitièmes de finale. Face à Andre Agassi, il mène deux manches à rien et semble tenir l'une des plus grandes victoires de sa jeune carrière. L'Américain renverse pourtant le match en cinq sets. À 20 ans, Mathieu a montré qu'il pouvait rivaliser avec les meilleurs, sans encore parvenir à conclure.
À Long Island, quelques semaines avant l'US Open, le Français bat Pete Sampras. L'Américain remporte ensuite à New York son quatorzième titre du Grand Chelem, puis ne dispute plus aucun match officiel : Mathieu restera le dernier joueur à l'avoir battu. Mais le plus spectaculaire arrive en octobre. Issu des qualifications à Moscou, « PHM » élimine Marat Safin, numéro 4 mondial, en demi-finale, puis Sjeng Schalken en finale. Dans la foulée, il remporte Lyon aux dépens de Gustavo Kuerten. Deux titres en deux semaines : le voilà lancé parmi les grandes révélations du circuit. Il est le premier Français à réaliser ce doublé depuis Henri Leconte en 1986, au point d'être désigné révélation de l'année par les joueurs de l'ATP.
La saison s'achève néanmoins sur un coup terrible. Choisi pour disputer la finale de Coupe Davis contre la Russie, à Paris-Bercy, Mathieu perd d'abord contre Safin. À deux victoires partout, il affronte le jeune Mikhail Youzhny, préféré à Yevgeny Kafelnikov, dans un cinquième match décisif qui doit départager les deux pays. Le Français remporte les deux premières manches, mène encore 4-2 dans la quatrième et passe à deux points de la victoire. Mais le Russe revient et s'impose 3/6 2/6 6/3 7/5 6/4. La France cède son titre. Mathieu, seulement âgé de 20 ans, portera longtemps le poids médiatique de cette rencontre, régulièrement ramenée au premier plan malgré les nombreuses saisons qu'il lui reste à vivre.
