Parallèlement à sa scolarité, Madison Wolfe passe des auditions. La fillette trouve ainsi un premier rôle dans le road movie Sur la route (2012) porté par le trio Garrett Hedlund, Sam Riley, Kristen Stewart puis un second dans la comédie Moi député (id.), celui de la fille du politicien vulgaire et incompétent campé par Will Ferrell. A la télévision, elle est choisie pour se glisser dans la peau de l’une des filles de l’inspecteur de police Marty Hart (Woody Harrelson) dans la série policière plébiscitée par la critique True Detective.

De plus en plus connue dans le milieu, Madison Wolfe alterne prestations télévisuelles et cinématographiques. On la voit dans cinq épisodes de The Astronaut Wives Club et quatre de Zoo, puis au castings de films ambitieux avec de grandes stars comme Joy et Dalton Trumbo. En 2015, la jeune fille rejoint le metteur en scène James Wan et sa lucrative franchise horrifique pour les besoins de The Conjuring 2. Pour l’occasion, Madison Wolfe interprète Janet Hodgson, fille de Peggy Hodgson (Frances O'Connor) confrontée à des phénomènes paranormaux.