Née dans le New Haven, Connecticut, Madeline Zima grandit en Pennsylvanie. Très tôt, un agent lui propose de jouer dans une publicité, elle n’a alors que 2 ans ! Après d’autres publicités (Freedent, Fisher-Price, Kleenex…) c’est Woody Allen himself qui la remarque et l’engage pour jouer dans le film Alice. Elle passe ensuite par la case télé et campe en 1992 le personnage d’Emma dans La main sur le berceau . La belle se fait aussi remarquer en 1993 dans une comédie, Mr Nounou . Mais sa notoriété, elle la doit avant tout à son rôle de Grace Sheffield dans la série Une nounou d’enfer, qu’elle joue pendant 6 ans jusqu’en 1999. Après l’arrêt de la série, Madeline s’illustre principalement dans des téléfilms comme Lethal Vows , The secret Path ou encore Lucy. En 2004, elle apparaît dans la mini-série Redhead puis au cinéma aux côtés d’ Hilary Duff dans Comme Cendrillon. Depuis 2007, elle incarne Mia, jeune demoiselle de 16 ans dévergondée dans Californication, aux côtés de David Duchovny. La même année, elle est également apparue en guest-star dans un épisode de Ghost Whisperer et Grey’s Anatomy et joue dans la saison 4 de Heroes.En 2010, elle devrait enfin se faire connaître par un plus large public grâce à son rôle aux côtés de Renée Zellweger et Forest Whitaker dans le drame My own love song.