Tėvai: Antanas Matulionis (1875–1941) – tarnautojas raštininkas ir Teofilija Sklėriūtė-Baronienė-Matulionienė (1874–1941) – žemdirbė ūkininkė, abu nužudyti kartu su žydais vokiečių okupacijos pradžioje 1941 m. liepą. Augo su seserimi iš motinos pirmosios santuokos Anatolija Baronaite-Poletajeva (1901–1962) – valstybės tarnautoja ir keturiais broliais. Broliai: Robertas Matulionis (1910–1990) – hidrotechnikas, Algirdas Matulionis (1911–1980) – miškininkas, Alfonsas Matulionis (1916–1983) – tarnautojas ir Petras Matulionis (1919–2000) – tarnautojas, inžinierius. Dėdės (motinos broliai) Kajetonas Sklėrius (1876–1932) – dailininkas, Alfonsas Sklėrius (1890–1943) – kariškis, Povilas Sklėrius (1898–1979) – mokslininkas inžinierius, pusseserė (motinos sesers duktė) Elena Viktorija Nakaitė-Arbienė (1915–2011) – rašytoja, pusbrolis (tėvo brolio sūnus) Jonas Kastytis Matulionis (1931–2015) – kunigas, dainininkas, disidentas Lietuvos katalikų bažnyčios kronikos leidėjas.

Tėvams kraustantis vis į kitą gyvenamą vietą, kur gaudavo tarnybą, nuo 1912 m. augo Liepojoje (Latvija), o traukiantis į Rytus nuo Pirmojo pasaulinio karo fronto, nuo 1915 m. gyveno Sankt Peterburge (Rusija), 1918–1920 m. – Orienburge, kol 1920 m. su šeima grįžo į Lietuvą ir apsistojo Kunigiškiuose (Anykščių r.).

Mokydamasis Rokiškio gimnazijoje, nuo 1929 m. E. Matulionis įsitraukė į aktyvią nelegalią komunistinio jaunimo veiklą. Jis studijavo Prekybos institute Klaipėdoje, nuo 1935 m. buvo komunistas pogrindininkas. 1935–1936 m. Klaipėdoje jis užsiėmė pogrindiniu revoliuciniu darbu tarp moksleivių ir studentų, buvo studentų partinės kuopelės sekretorius.

1936–1940 m. jis buvo kalinamas už neteisėtą komunistinę veiklą kariuomenėje, išlaisvintas kaip politinis kalinys pirmosios sovietinės okupacijos pradžioje. 1940–1941 m. jis dirbo administracinį darbą.

Prasidėjus Antrajam pasauliniam karui, jis kartu su broliais pasitraukė į Rytus, gyveno Rusijoje. 1942–1944 m. E. Matulionis buvo Raudonosios armijos 16-osios lietuviškosios divizijos politinis darbuotojas.

Nuo 1944 m. jis gyveno Lietuvoje, Ukmergėje ir kitur, dirbo partinį ir kultūrinį darbą civilinėse ir karinėse struktūrose.

1957 m. jis baigė Maskvos (Rusija) Lenino politinę karo akademiją, įgijo kariškio išsilavinimą, nuo 1957 m. buvo majoras.

Buvo vedęs, žmona Honorata Matulionienė (1925–2008) – teisininkė. Užaugino dvi dukteris: Raimonda Matulionytė-Šakalienė – policijos pareigūnė ir Audronė Teofilė Matulionytė-Pšibilskienė (g. 1946 m.) – muzikė altininkė.

Mirė 1987 m. Vilniuje. Palaidotas Vilniaus Antakalnio kapinėse šeimos kape (17 sektorius). Kapą ženklina pilko lauko akmens paminklas-stela su iškaltu įrašu: "Eduardas / Matulionis / 1912–1987 / Honorata / Matulionienė / 1925–2008".