El 11 de agosto de 2015, Mathieu Valbuena, con doble nacionalidad (española y francesa) firmó un contrato de tres años con el Olympique de Lyon procedente del Dinamo de Moscú, algo que sorprendió a todos debido a su pasado durante siete temporadas en el Olympique de Marsella (máximo rival del anterior). La cantidad del traspaso del futbolista osciló entre los cinco y seis millones de euros. Jugó su primer partido el 15 de agosto en el Lyon en el Estadio Roudourou contra el Guingamp (partido que quedaría con resultado favorable para el Lyon por tres tantos a cero)
El futbolista con nacionalidad española ha vivido una temporada de lo más difícil en su carrera tanto en lo deportivo como en lo extra futbolístico con el caso Benzema. Esto hizo que ambos futbolistas quedarán apartados de la selección nacional francesa debido a que Valbuena habría interpuesto una demanda y una orden de alejamiento a su compañero Benzema, tras solucionarse estos malentendidos ambos podían volver a ser seleccionados para la EURO 2016. Además, a finales de 2015 se lesionó (lo que complicó más las cosas) y tras una larga recuperación y en el regreso de esta, el propio futbolista reconoció que no era capaz de encontrar un lugar entre los once titulares, debido a que Maxwell Cornet había aprovechado muy bien las oportunidades brindadas por el entrenador del Lyon, Bruno Génésio.
Los pocos minutos que ha disputado y el mal rendimiento del francés habiendo anotado tan solo tres goles en 37 partidos, ha hecho que Deschamps prescinda de sus servicios para la Eurocopa celebrada en Francia este mismo verano. A pesar de todo, el Lyon, no ha tenido problemas en la Ligue 1 y ha podido quedar segundo en la clasificación por detrás del intratable Paris Saint-Germain. Esta posición le da acceso directo a la Champions League, siendo esta la siguiente gran oportunidad que le brinda el fútbol a Mathieu Valbuena tras una temporada de los más pésima para un futbolista con tal talento y descaro.