Głównym obszarem badań pozostaje układ sercowo-naczyniowy człowieka, anatomia kliniczna, zmiany morfologiczne serca w różnych jednostkach chorobowych oraz metody jego obrazowania, a w szczególności: anatomia układu sercowo-naczyniowego z uwzględnieniem anatomii istotnych z punktu widzenia kardiologii inwazyjnej i elektrokardiologii obszarów serca, obrazowanie mięśnia sercowego przy pomocy echokardiografii i tomografii komputerowej, odwzorowanie (makroskopowe, mikroskopowe i molekularne) układu bodźcotwórczo-przewodzącego serca, wykorzystanie mikrotomografii komputerowej wzmacnianej kontrastami do obrazowania struktury wewnętrznej serca, trójwymiarowa rekonstrukcja i wizualizacja klinicznych danych obrazowych oraz druk 3D w medycynie.
Na jego dorobek naukowy składa się kilkadziesiąt publikacji w wiodących czasopismach naukowych, m.in. w „Clinical Anatomy", „Annals of Anatomy”, „International Journal of Cardiology”, „Europace”, „Journal of Anatomy”, „JACC: Cardiovascular Interventions”, „Stroke”, „JASE”. Mateusz Hołda jest wykładowcą na polskich i zagranicznych kongresach naukowych (ponad 100 wystąpień), recenzentem czasopism naukowych publikowanych w Polsce i za granicą, redaktorem naukowym w czasopiśmie PLOS ONE.