Den 29-årige hollænder gik i udbrud med 60 kilometer til målstregen og fik slået et hul på næsten tre minutter til en trio bestående af Mads Pedersen, Jasper Philipsen og Nils Politt.
Det store forspring betød, at sidste uges Flandern Rundt-vinder på det sidste stykke af ruten kunne løsne trykket i pedalerne en anelse uden at sætte sin føring over styr.
"Det her overgår alle mine forventninger, og der bliver stor fest i aften.Jeg var på grænsen i Flandern Rundt, men her kunne jeg virkelig nyde de sidste kilometer," siger Mathieu van der Poel ifølge AFP.
Alpecin-rytteren kørte solokørsel, efter at han havde skruet tempoet op på et af de ujævne pavé-stykker, som cykelmonumentet i Nordfrankrig er kendt og berygtet for.
"Jeg forsøgte bare at gøre det hårdt for de andre. Det var ikke meningen, at det skulle være mit afgørende træk, så jeg kunne få sejren eller køre solo derfra.Men efter at jeg kom fri, så fik jeg også vinden i ryggen," siger Mathieu van der Poel.
Undervejs blev mange af konkurrenterne ramt af punkteringer, deriblandt Mads Pedersen, men hollænderen undgik den slags uheld.
"Jeg var sikker på, at jeg ikke ville punktere, og skulle det ske, så var holdbilen lige bagved til at hjælpe mig," siger hollænderen.
Inde på velodromen i Roubaix blev Mads Pedersen slået af Jasper Philipsen og endte på tredjepladsen.
Lidl-Trek-danskeren erkender, at der ikke var noget at stille op denne søndag.
"Mathieu var i sin egen liga. Han er utrolig. Jeg kunne bare ikke følge med. Jeg ved ikke, hvordan jeg skulle have slået ham. Jeg var på 100 procent, men blev bare slået af et par gutter, der var bedre," siger Mads Pedersen.
Årets udgave af Paris-Roubaix er det hurtigste i historien med en vindertid på 5 timer, 25 minutter og 58 sekunder. Det giver en gennemsnitsfart på 47,8 kilometer i timen. Løbet blev kørt første gang i 1896.