Un joueur apprécié par tous, il est connu pour avoir disputé le match le plus long de l'histoire du tennis professionnel, contre l'Américain John Isner , lors du tournoi de Wimbledon 2010. Spécialiste du gazon (vainqueur de Wimbledon juniors en 2000), il a battu Björkman, Ljubicic et Nadal au tournoi du Queen's en 2007 avant de s'incliner en finale contre Andy Roddick . Quatre victoires en simple. Il a remporté son premier titre en juin 2013 sur le gazon de 's-Hertogenbosch à 31 ans (premier Français depuis 1968 à ouvrir son palmarès passé les 30 ans), son deuxième à Newport quelques semaines plus tard, toujours sur gazon (deux fois finaliste) puis une deuxième et troisième fois à 's-Hertogenbosch, en 2014 et 2016. Il affichait 12 victoires pour seulement 2 défaites sur gazon en 2013 ! 37 victoires en double (22 fois finaliste) avec 7 partenaires différents (Clément, Benneteau, Llodra, Roger-Vasselin, Herbert, Pospisil et Martin) dont cinq en Grand Chelem : l'US Open en 2015 (une victoire historique pour la France), Wimbledon en 2016 (finaliste en 2019), Roland-Garros en 2018 et 2021, et l'Open d'Australie en 2019 avec Pierre-Hugues Herbert . Ils sont ainsi devenus la 8eme paire à réussir à remporter les 4 tournois du Grand Chelem en double. Ils ont également réussi 2 triplés en Masters 1000 (Indian Wells/Miami/Monte Carlo en 2016, Rome, Montréal et Cincinnati en 2017 ; seuls les américains Bob et Mike Bryan avaient déjà réussi ce triplé, en 2014) avec Pierre-Hugues Herbert , avec qui il compte 21 victoires, notamment Paris-Bercy en 2019 (finaliste en 2021), le Masters en 2019 et 2021 (finaliste en 2018), le Queens en 2015, 2016 et 2021. Finaliste du double à Roland-Garros en 2013 avec Michaël Llodra (battus par les frères Bryan) et à l'Open d'Australie en 2015 avec Pierre-Hugues Herbert (contre les Italiens Simone Bolelli et Fabio Fognini ). Vainqueur de Wimbledon chez les juniors en 2000 contre Mario Ancic . Son meilleur classement en simple à ce jour : 37eme joueur mondial en mai 2014. Après sa victoire à Newport en juillet 2013, il était passé de la 240e à la 75e place mondiale. En juin 2016, juste après Roland Garros, il est devenu numéro 1 mondial en double, seulement le  deuxième joueur français à occuper cette place depuis Yannick Noah en simple (19 semaines entre 1986 et 1987) ! Il a terminé l'année 2016 à la 1ère place mondiale en double, une première pour un joueur français. Il s'était aligné sur quatorze tournois avec Pierre-Hugues Herbert , pour six titres donc celui de Wimbledon, mais il a aussi joué trois tournois avec trois autres partenaires. Vainqueur de la Coupe Davis en 2017 (absent de la finale ; finaliste en 2018).

En juin 2010 lors du 1er tour de Wimbledon il a perdu un match sensationnel contre l'Américain John Isner , qui est entré dans l'histoire du tennis avec pas moins de douze records qui sont tombés :
- plus long match de tennis professionnel (11h05)
- plus long match dans un tournoi du Grand Chelem
- plus long match joué à Wimbledon
- plus grand nombre de jeux (183 : 4/6,6/3, 7/6, 6/7, 68/70)
- plus grand nombre de jeux dans un match de tennis professionnel
- plus grand nombre de jeux dans un tournoi du Grand Chelem
- plus grand nombre de jeux dans un match d’un tournoi de Wimbledon
- plus grand nombre d’aces (par un joueur) dans un match de tennis professionnel (113 pour Isner; 103 pour Mahut; total 216 aces, un autre record)
- plus grand nombre d’aces par un joueur dans un tournoi du Grand Chelem
- plus grand nombre d’aces dans un match d’un tournoi de Wimbledon
- plus grand nombre de jeux (dans un set) d’un match de tennis professionnel (138)
- plus grand nombre de jeux (dans un set) d’un tournoi du Grand Chelem
- plus grand nombre de jeux (dans un set) dans un tournoi de Wimbledon