Em 27 de janeiro de 2023, sagrou-se campeão de Grand Slam em duplas mistas no Austrália Open com a compatriota Luisa Stefani ao vencer a dupla indiana formada por Sania Mirza eRohan Bopanna [7-6(7/2); 6-2]. Feito inédito junto com sua compatriota sendo a primeira dupla 100% brasileira a vencer um Grand Slam em duplas mistas, e o segundo brasileiro a vencer Austrália Open em duplas mistas, antes o Bruno Soares vencerá em 2016 com a parceira russa Elena Vesnina. Foi o sexto título do Brasil em duplas mistas em Grand Slams, antes Maria Esther Bueno (Roland Garros 1960), Thomaz Koch (Roland Garros 1975) e Bruno Soares (Austrália Open 2016 e US Open 2012/2014/2016).
Em 25 de janeiro de 2023, atingiu sua primeira final de Grand Slam em duplas Mistas no Austrália Open com a compatriota Luisa Stefani ao vencer a dupla australiana formada por Olivia Gadecki e Marc Polmans [4-6; 6-4 (11/9)].
Em 30 de maio de 2022, atingiu sua melhor colocação em Grand Slams de duplas masculino ao perder nas quartas de finais em Roland Garros, ao lado do espanhol David Vegas Hernández para o el salvador Marcelo Arévalo e o holandês Jean-Julien Rojer por 7/6(6) e 6/3, depois de duas horas de partida. Subiu para 42° posição no ranking de duplas masculino.
Seu melhor ranking de simples é a 440ª colocação da Associação de Tenistas Profissionais (ATP), alcançada em 2018. Já nas duplas, seu melhor ranking é a 26ª colocação da ATP, alcançada em 6 de fevereiro de 2023.[2]
Nas duplas, em 2021, Matos ganha seu primeiro título de ATP em Córdoba joagando com o também brasileiro Felipe Meligeni Alves e derrotando Romain Arneodo e Benoît Paire na final. Esse também foi o primeiro título ATP de Felipe.
2022
Em 2022, começa uma frutífera parceria com o espanhol David Vega Hernández, que começa a obter muitas vitórias. No início do ano, a dupla Matos/Vega vence dois ATP 250 em Santiago e Marrakesh. Em maio de 2022, atingem as quartas-de-final de Roland Garros, e Matos entra no top 50 mundial de duplas. Após Roland Garros, eles vencem outro ATP 250 em Mallorca. Em um torneio de Wimbledon caracterizado por não distribuir pontos naquele ano, chegam à 3a rodada. Em julho eles vencem o ATP 250 de Bastad, o 5º título de ATP de Matos, com isso se aproximando do top 30 mundial. Terminou 2022 com 6 títulos de ATP já obtidos na carreira, e tendo atingido o posto de n.27 do mundo em novembro.[6][7][8]
2023: Inédito título de Grand Slam nas duplas mistas
Ao jogar as duplas mistas do Aberto da Austrália de 2023 com a também brasileira Luisa Stefani, conquistaram o título deste Grand Slam, feito inédito tanto para uma dupla 100% brasileira, quanto para cada um dos dois de forma individual. [9]
No início da temporada, Matos começou uma nova parceria com o colombiano Nicolás Barrientos, que já havia sido revelada no fim de 2023. Na primeira competição, o Brisbane International, a dupla avançou até a segunda rodada de oitavas de final[12], quando enfrentaram os cabeças de chave 2, o neerlandesJean-Julien Rojer e o inglês Lloyd Glasspool, perderam e foram eliminados em sets diretos.[13] No segundo torneio da parceria, o Adelaide International, Matos e Barrientos venceram nas oitavas de final os cabeças de chave número 8, a dupla dos franceses Edouard Roger-Vasselin e Nicolas Mahut em sets diretos, para chegarem nas quartas de final[14] diante dos cabeças de chave 2, o indiano Rohan Bopanna e o australiano Matthew Ebden. Em tal partida, foram superados no placar de 2 sets a 1 e acabaram eliminados do torneio. [15][16]
Depois, Rafael seguiu direto para Melbourne, onde iria disputar o Australian Open, novamente jogando ao lado de Barrientos.[17] Ao chegar em Melbourne, Matos recebeu a notícia de que a organização do Australian Open havia concedido um wildcard para Luisa Stefani e ele, dando assim a chance de que eles pudessem defender o título de duplas mistas do torneio conquistado em 2023, mesmo que Matos estivesse sem ranking bom o suficiente para competir ao lado de Stefani.[18]
Na chave das duplas mistas, Stefani e Matos estrearam diante dos britânicos Joe Salisbury, tenista que foi dupla de Stefani no Us Open 2023, e Heather Watson, mas acabaram sendo superados em sets diretos, assim terminando a participação da dupla no Australian Open de 2024 sem conseguir defender o título nas duplas mistas.[19]