Erste Erfahrungen bei internationalen Meisterschaften sammelte Matheus Lima im Jahr 2022, als er bei den U20-Weltmeisterschaften in Cali mit 51,11 s im Halbfinale über 400 Meter Hürden ausschied und mit der brasilianischen Mixed-Staffel über 4-mal 400 Meter mit 3:24,31 min im Vorlauf ausschied. Anschließend gewann er bei den U23-Südamerikameisterschaften in Cascavel in 50,87 s die Silbermedaille über 400 Meter Hürden hinter der Argentinier Bruno De Genaro. Im Jahr darauf siegte er in 49,44 s bei den Südamerikameisterschaften in São Paulo und gewann anschließend bei den Panamerikanischen Spielen in Santiago de Chile in 49,69 s die Silbermedaille hinter dem Jamaikaner Jaheel Hyde. Zudem siegte er mit der brasilianischen 4-mal-400-Meter-Staffel in 3:03,92 min gemeinsam mit Lucas Carvalho, Douglas Mendes und Lucas Conceição Costa. 2024 steigerte er zum Saisoneinstieg seine Bestleistung im 400-Meter-Lauf auf 44,52 s und im Mai sicherte er der Männerstaffel bei den World Athletics Relays in Nassau einen Startplatz bei den Olympischen Spielen. Im Juni siegte er mit 48,31 s über 400 m Hürden beim Memoriał Ireny Szewińskiej und im Juli siegte er in 48,44 s beim Résisprint. Anschließend schied er bei den Olympischen Sommerspielen in Paris mit 48,89 s im Semifinale über 400 m Hürden aus und verpasste mit der Staffel mit 3:00,95 min den Finaleinzug. Im September siegte er bei den U23-Südamerikameisterschaften in Bucaramanga mit neuem Meisterschaftsrekord über 400 m Hürden von 49,13 s und gewann auch mit der Staffel in 3:07,14 min die Goldmedaille.
2024 wurde Lima brasilianischer Meister im 400-Meter-Lauf.
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