Madeline nace en Connecticut un día de septiembre de 1985. La leyenda cuenta que fue Woody Allen quien la descubrió en el cásting de ALICE, en 1990. A sus siete años interpreta su primer papel en LA MANO QUE MECE LA CUNA, de Curtis Hanson, la historia de una niñera maquiavélica, y desde entonces no ha dejado de rodar.

Aparece en un capítulo de una historia de Nanny Machiavélique. Participó también en LEY Y ORDEN, JAG, ALERTA ROJA, pero es con LA NIÑERA, en la que interpreta durante seis años a la adorable Grace de la familia Sheffield, donde revela la amplitud de su talento como actriz, ya que el personaje era ampliamente improvisado. Convertida en una mini-estrella de la televisión desde 1993, la joven triunfa en las series. LAS HERMANAS GILMORE, EL REY DE LA COLINA, SIETE EN EL PARAÍSO, ANATOMÍA DE GREY, ENTRE FANTASMAS la ven crecer y ganar en madurez. En 2007, obtiene el papel recurrente de Mia Lewis en CALIFORNICATION y en 2009, interpreta a Gretchen Berg en once episodios de HÉROES. En lo que respecta al cine, a parte de Olivier Dahan, son pocos los directores que han querido explotar la candidez y las dotes trágico-cómicas de Madeline Zima. Pero a sus 25 años, la chica está lejos de haber dicho su última palabra.