Participó como profesora en las primeras clases que el profesor Angulo organizó en el Museo del Prado y también fue adjunta-interina de Historia del Arte en la Universidad Complutense de Madrid hasta que consiguió la plaza de Colaboradora Científica en el CSIC, pasando luego a ser Investigadora y Profesora de Investigación. Sus estudios y trabajos se han centrado en El Bosco, la iconografía, las sillerías de coro y la pintura española del siglo: El Bosco en España (Madrid, 1965), Temas profanos en la escultura gótica española: las sillerías de coro (Madrid, 1979), Juan Correa de Vivar (Madrid, 1983), Sillería del coro de la Catedral de Burgos, (Burgos, 1997), El jardín de las delicias y sus fuentes (Madrid, 2003), Juan de Borgoña (Madrid, 2004).

Fruto de los proyectos de investigación que dirigió son las obras El arte de los Jerónimos: Historia y Mecenazgo (Madrid, 1999) en colaboración con José Mª Prados y Amelia López-Yarto y La Pintura toledana de la primera mitad del siglo XV (Madrid, 2003), también con López-Yarto Elizalde. Isabel Mateo también ha contribuido a la recuperación de obras de arte robadas en varias ocasiones asesorando a las unidades y brigadas de Patrimonio Histórico de la Guardia Civil y la Policía Nacional.

Es Académica correspondiente de San Fernando, Santa Isabel de Hungría, Fernán González y miembro del Museo Goya de Castres en Francia.

A diferencia de Elisa Bermejo, Isabel Mateo nunca fue responsable de la gestión del archivo fotográfico, pero sí una de sus mayores valedoras al manejar de forma habitual las fotografías que componían sus distintas secciones sirviéndose de ellas en sus trabajos de investigación. El número de fotografías del archivo dedicadas a las sillerías de coro y a la pintura del siglo XVI, especialmente de ámbito toledano, se incrementó con las que realizó la propia investigadora a lo largo de su vida profesional.

En la documentación del Instituto Diego Velázquez se conservan cartas y documentos que sirven de testimonio de la importancia del uso de la fotografía en el trabajo de Isabel Mateo.

Producción científica de Isabel Mateo Gómez en el Catálogo de la Red de Bibliotecas y Archivos del CSIC.