Madeline Zima 1985. szeptember 16-án született New Havenben, Connecticutban, az Egyesült Államokban, Marie és Dennis Zima legidősebb gyermekeként. Madeline-nek két húga van, Yvonne és Vanessa, akik szintén színésznők lettek.

Madeline nagyon korán kezdte a filmezést, 2 évesen már reklámban szerepet, majd indössze 7 évesen megkapta élete első nagyjátékfilm-szerepét Julianne Moore mellett A kéz, amely a bölcsőt ringatja (1992) című drámában. Alakítását dicsérték a kritikusok, és hamar igen foglalkoztatott színésznő vált belőle. Egy évre rá szerepelt az Óvóbácsi (1993) című vígjátékban, majd szerepet kapott egy sorozatban is - A dadus (1993) miatt New Yorkból Los Angelesbe is költözött, mivel 6 évadon kereszül alakította benne Grace Sheffieldet.

Madeline több tévéfilmben is szerepelt, mint a A méregkeverő (1999), majd szerepet kapott a Lucy (2003) című CBS-minisorozatban.

A színésznő több nagysikerű sorozatban is feltűnt, mint a Kaliforgia, a Hősök vagy a Vámpírnaplók. Játékfilmes karrierjét sem hanyagolja: The Collector (2009), A családfa (2011), a Crazy Kind of Love (2013) és a Breaking the Girls (2013). Madeline szabadidejében énekel, gitározik, dalokat és forgatókönyveket ír, illetve sok időt tölt testvéreivel.