La Mattel venne fondata nel 1945 da Elliot Handler e Harold "Matt" Matson, la cui fusione dei nomi (il soprannome di Matson, "MATT", più le prime due lettere del nome di Handler, "EL") diede origine al marchio. Ruth Handler, moglie di Elliot, ne assunse in seguito la presidenza.

Inizialmente la Mattel produceva cornici per fotografie e, solo marginalmente, accessori per case di bambole. Quest'ultima attività divenne via via più redditizia della prima, finché la produzione di giocattoli venne riconosciuta come core business della società.

Nel 1959, in seguito a una visita in Europa dove viene a conoscenza della bambola Bild Lilli, Ruth Handler progettò la bambola "adulta" Barbie. Nel 1970 venne ideata l'action figure Big Jim, ispirata a G.I. Joe della Hasbro, con cui si pose in diretta concorrenza; fu commercializzata a partire dal 1972 soprattutto negli Stati Uniti, in Europa e in Messico.

La società ebbe periodi di fortuna alterni. Nel novembre del 1975 la Mattel fu criticata con l'accusa di aver diffuso informazioni false per dare l'impressione di una crescita del suo volume d'affari non corrispondente alla realtà. Tuttavia, l'ascesa economica di Mattel divenne ben presto reale, e fu soprattutto dovuta alla realizzazione di una serie di linee di prodotti di enorme successo.

Fra la fine degli anni ottanta e l'inizio dei novanta Mattel fu anche il distributore ufficiale dei prodotti NES (Nintendo) in Europa e in Canada. Nel 1993 si fuse con un'altra grande casa produttrice di giocattoli, la Fisher-Price, e nel 1996 acquisì Tyco Toys, all'epoca la terza casa produttrice di giocattoli del mondo e detentrice del marchio View-Master, popolare visore stereoscopico in produzione fin dal 1939.

Nel 2010 uscirono le Monster High, una linea di bambole "gothic Barbie", che nel 2013 fecero guadagnare a Mattel più di 1,5 miliardi di dollari, così da diventare uno dei prodotti più importanti dell'azienda.