De retour en France elle tourne le premier cinéroman parlant en quatre épisodes « Méphisto » (1930) de Henri Debain une sombre histoire d'espionnage avec Jean Gabin l'inspecteur Jacques Miral, René Navarre et France Dhélia entre autres.

Elle tourne encore une poignée de films avant d’être remarquée par Marcel Pagnol qui trouve en elle, la silhouette idéale, une grosse dame au grand cœur pour tenir le rôle de Claudine Foulon la tante émotive de Orane Demazis dans le premier volet de la célèbre trilogie marseillaise « Marius » (1931) d’Alexander Korda avec Pierre Fresnay et Raimu ; dans « Fanny » (1932) de Marc Allégret , elle affronte courageusement l'hargneuse Honorine Alida Rouffe la mère de Fanny (Orane Demazis) qui veut la réprimander sévèrement en apprenant sa grossesse . Marcel Pagnol signe le dernier volet « César » (1936) André Fouché alias Césariot le fils de Fanny découvre son vrai père, un homme bon (Pierre Fresnay) et la vérité qui entoure sa naissance.

Milly Mathis, une actrice incontournable à l’accent du midi, dans de nombreuses histoires qui sentent bon la Provence vive, corpulente, le verbe tonitruant, souvent limitée à des interprétations prêtant à rire, de femme du peuple, de bonne à tout faire, de concierge, elle apporte son exubérance aux films de Pagnol volant parfois la vedette à de grands acteurs méridionaux comme Fernandel, Andrex, Fernand Charpin, Berval, Rellys et bien sûr Raimu. Citons notamment « L’illustre Maurin » (1933) de André Hugon d’après le roman de Jean Aicard, avec Antonin Berval en malicieux braconnier; une gouvernante tout en poumons dans « Tartarin de Tarascon » (1934) de Raymond Bernard aux côtés de Raimu dans le rôle titre qui invente des histoires rocambolesques ; elle est Mme Trompette dans « Justin de Marseille » (1934) de Maurice Tourneur avec Antonin Berval un chef de gang à Marseille ; elle est Toinon dans les aventures de Gaspard (Antonin Berval ) un brigand provençal de la fin du 18ème siècle dans « Gaspard de Besse » (1935) d'André Hugon avec Raimu et Antoine Balpêtré . Dans « Regain » (1937), un drame rural signé Marcel Pagnol, dans un village abandonné l'amour qui va naître entre Panturle (Gabriel Gabrio) et Ursule (Orane Demazis) va faire revivre le village, avec Gédémus ( Fernandel ) le rémouleur et Milly Mathis est Belline la femme de Charles Blavette, le fils de Edouart Delmont le forgeron.

Elle retrouve Raimu dans la comédie dramatique « La fille du puisatier » de Marcel Pagnol elle est Nathalie, la sœur de Raimu, le puisatier qui chasse du foyer sa fille Patricia (Josette Day) lorsqu'elle lui révèle être enceinte de Jacques un jeune aviateur (Georges Grey), dès la naissance de l‘enfant il fait revenir sa fille et Jacques de retour de la guerre veux épouser Patricia …

Par la suite c’est une galerie de petits rôles qui complètent sa filmographie citons entre autres la buraliste dans « Gargousse » (1938), de Henry Wulschleger avec Bach dans la rôle titre ; une paysanne dans « J'étais une aventurière » (1938) de Raymond Bernard avec Jean Murat et Edwige Feuillère ; une cuisinière dans « Pièges » (1939) un film noir de Robert Siodmak avec Maurice Chevalier, Erich von Stroheim et Marie Dea ; une citoyenne dans « Simplet « (1942) réalisé par Fernandel, Simplet le fada du village de Miéjour, porte chance à ses concitoyens alors qu'à Rocamour rien ne va plus, les deux bourgades vont se disputer Simplet qui saura finalement leur montrer la voie de la sagesse et du bonheur avec Henri Poupon Édouard Delmont ; puis elle campe la bonne du couple André Alerme et Jeanne Fusier-Gir qui adore les romans policiers dans « Le voleur se porte bien » (1946) de Jean Loubignac ; Madeleine, la patronne du café dans « Le Trésor de Cantenac » (1950) de et avec Sacha Guitry ; la baronne de Pitart-Vergniolles dans « Topaze » (1950) de Marcel Pagnol avec Fernandel ; citons encore son rôle de l’irrésistible Amélie, la femme de Charles Blavette dans le dramatique « Manon des sources » (1952) de Marcel Pagnol avec Rellys, Raymond Pellegrin et Henri Poupon.

Une talentueuse actrice, dotée d’un tempérament exubérant, avec sa gouaille marseillaise elle fut très appréciée par la bande à Pagnol et par la profession , elle a tourné une centaine de films échelonnés sur trente ans. Il est surprenant de voir qu'elle a cessé sa carrière à l'âge de 57 ans. Tombée en grande précarité, elle a bénéficié de l’aide de l’association de « La roue tourne », fondée par Paul Azaïs qu’elle avait rencontré sur le tournage de «Gigolette» (1936).

Milly Mathis est décèdée le 30 mars 1965 à Salon-de-Provence, à l'âge de 63 ans. Elle repose au cimetière Saint-Pierre de Marseille, comme tous ses autres compagnons à l’accent provençal.