Fue la hija mayor del matrimonio formado por el abogado Enrique Ucelay Sanz y por Pura Maortua Lombera. Sus hermanas fueron Luz, Margarita y Carmen Ucelay. Su madre fue gran amiga de Federico García Lorca y perteneció al Lyceum Club Femenino, además de ser fundadora de la compañía de teatro Anfistora. 

Ucelay estudió bachillerato en el Instituto Escuela con excelentes calificaciones académicas, además de la carrera de piano. En 1931 ingresó en la Escuela de Arquitectura de la Universidad de Madrid junto con Lali Úrcula, que no acabó la carrera, y Cristina Gonzalo. Matilde Ucelay realizó dos cursos en uno junto con Fernando Chueca Goitia por lo que acabó la carrera un año antes de lo previsto, en junio de 1936. 

Ese mismo año, el 10 de julio,  en el Hotel Nacional sus compañeros y amigos le rindieron un homenaje como primera licenciada en arquitectura de España en un acto en el que estuvo presente el también arquitecto Amós Salvador Carreras, entonces Ministro de Gobernación. A este homenaje asistieron importantes figuras de la época, como el arquitecto Teodoro de Anasagasti. En 1936 fue la única mujer miembro de la Junta de Gobierno del Colegio Oficial de Arquitectos de Madrid, en la que ejerció el cargo de secretaria desde el mes de agosto hasta el mes de octubre o quizás noviembre, fecha en la que se trasladó con su familia a Valencia. En aquel momento a su padre se le había gangrenado una pierna y había recibido amenazas con lo que la permanencia en Madrid se hacía peligrosa y la familia decidió trasladarse a la ciudad levantina. 

En enero de 1937 se casó en Valencia con José Ruiz Castillo, abogado y funcionario del Ministerio de Agricultura, miembro de una conocida familia de editores madrileño: Su padre era el dueño de Biblioteca Nueva, cuya dirección heredó el marido de Ucelay.  

Una vez finalizada la Guerra Civil Española y como consecuencia de su participación en la Junta de Gobierno del Colegio de Arquitectos de Madrid en 1936, fue juzgada varias veces en consejo de guerra y depurada profesionalmente por la Dirección General de Arquitectura, acusada de "auxilio a la rebelión". En el juicio presentaron testimonio a su favor numeras personas, entre otros el odontólogo Alberto Díaz. Pero no pudieron ayudarla demasiado ya que el 9 de julio de 1942 fue sentenciada a inhabilitación y a perpetuidad para cargos públicos, directivos y de confianza, con prohibición para el ejercicio privado de la profesión durante cinco años e indemnización de 30 000 pesetas. El título obtenido en 1936 no le fue expedido oficialmente hasta el año 1946. 

Otro hecho injusto y doloroso: En la década de 1950 su candidatura a la junta directiva de la Asociación de Mujeres Universitarias, de la que fue fundadora con el carnet número siete, fue vetada por las autoridades franquistas. 

Pero todo llega, así fue que en 1998  la Asociación “La Mujer Construye” hizo un reconocimiento público de su figura por ser la primera mujer licenciada en arquitectura en España, y en 2004, obtuvo el Premio Nacional de Arquitectura. Dos años después, participó en la Bienal de Venecia de Arquitectura en el pabellón España  

Ucelay falleció en Madrid el 24 de noviembre de 2008, y una década después, los distintos grupos municipales del Ayuntamiento de Madrid acordaron que un jardín del distrito de Chamberí llevara su nombre.