Amy Madigan naît le 11 septembre 1950 à Chicago (Illinois – États-Unis). Après avoir obtenu un diplôme en philosophie à l’Université Marquette et un autre en piano au Conservatoire de Musique du Chicago College of Performing Arts au Conservatoire de Musique du Chicago, la jeune femme devient la chanteuse d’un groupe baptisé Big Daddy. Attirée par la musique mais également par le théâtre, Amy Madigan étudie l’art dramatique avec Lee Strasberg.
C’est en 1981 qu’Amy Madigan fait ses premiers pas de comédienne dans un épisode de la série Pour l’amour du risque. L’année suivante, l’actrice débute au cinéma dans le film Love Letters d’Amy Holden Jones aux côtés de Jamie Lee Curtis.
En 1984, elle rencontre le comédien Ed Harris sur le tournage du film Les Saisons du cœur de Robert Benton. Tous deux ne tardent pas à se mettre en couple et se marient avant d’accueillir une petite fille, Lily Dolores (née en 1993).
En 1989, son interprétation de l’avocate Sarah Weddington dans le téléfilm Roe vs. Wade de Gregory Hoblit lui permet de décrocher le Golden Globe de la meilleure actrice dans une série, une minisérie ou un téléfilm. Dans les années qui suivent, Amy Madigan se tourne également vers la production.
Elle produit notamment le téléfilm Les Cavaliers de la mort de Charles Haid (1996), dans lequel elle donne de nouveau la réplique à Ed Harris, puis trois autres longs-métrages (After the Past d’Ash Adams – 2004 ; Once Fallen d’Ash Adams – 2010 et Stuck de Michael Berry – 2017).
En tant qu’actrice, Amy Madigan travaille surtout à la télévision à partir des années 2000. Elle tient un rôle important dans la série La Caravane de l’étrange et incarne des personnages récurrents dans Grey’s Anatomy et Fringe. Au cinéma, elle s’illustre devant la caméra de Ben Affleck (Gone Baby Gone – 2007), Logan Miller (Shérif Jackson – 2013) ou encore Warren Beatty (L’Exception à la règle – 2016).
En 2025, la comédienne est à l’affiche de deux films radicalement différents. Tout d’abord le long-métrage d’épouvante Évanouis de Zach Cregger aux côtés de Josh Brolin et Julia Garner puis le drame Rebuilding de Max Walker-Silverman qui lui permet de donner la réplique à Josh O’Connor.