Madeline Zima ist die älteste Tochter von Marie und Dennis Zima. Sie hat zwei jüngere Schwestern, Vanessa und Yvonne, die ebenfalls Schauspielerinnen sind.
Zima begann ihre Karriere im Alter von 24 Monaten mit einem Auftritt in einem Werbespot für die WeichspülermarkeDowny. Sie wirkte daraufhin noch in mehreren lokalen Werbespots in New York City mit. In dem Thriller Die Hand an der Wiege gab sie 1992 ihr Spielfilmdebüt.
Von 2007 bis 2011 spielte Zima die Rolle der Mia Lewis, einer frühreifen Jugendlichen, in der Fernsehserie Californication an der Seite von David Duchovny und Natascha McElhone. Sie gehörte zur Stammbesetzung der ersten und zweiten Staffel und hatte eine Gastrolle in Staffel drei und vier. Von 2009 bis 2010 war sie in der Serie Heroes als Gretchen Berg, der bisexuellen Freundin von Claire Bennet (Hayden Panettiere) zu sehen. 2009 spielte sie die Rolle der Jill in dem Horrorfilm The Collector – He Always Takes One. 2010 spielte sie neben Renée Zellweger und Forest Whitaker in My Own Love Song.
1994: Nominierung in der Kategorie Best Youth Actress Leading Role in a Motion für Mr. Babysitter
1994: Nominierung in der Kategorie Best Performance by an Actress Under Ten in a Motion Picture für Mr. Babysitter
1995: Nominierung in der Kategorie Best Performance by an Actress Under Ten in a TV Series für Die Nanny
1995: Nominierung in der Kategorie Best Performance by a Youth Ensemble in a Television Series für Die Nanny (mit: Nicholle Tom und Benjamin Salisbury)
1995: Nominierung in der Kategorie Best Performance by a Youth Actress – TV Guest Star für Law & Order
1996: Nominierung in der Kategorie Best Performance in a TV Comedy Series – Supporting Young Actress für Die Nanny
1998: Nominierung in der Kategorie Best Performance in a TV Comedy Series – Supporting Young Actress für Die Nanny
2001: Nominierung in der Kategorie Best Performance in a TV Movie (Drama) – Leading Young Actress für Sandy Bottom – Konzert für eine Stadt