Madeleine Robinson travaille à l'usine à quatorze ans et devient coursière, puis bonne chez un artiste peintre, avant de s'inscrire au cours de théâtre du metteur en scène Charles Dullin. Elle connaît la consécration dans les années 40 en s'illustrant dans Lumière d'été de Jean Grémillon, Douce (1943) de Claude Autant-Lara et Sortilèges (1944) de Christian-Jaque. Mais c'est au théâtre qu'elle donne le meilleur de son talent. Après Une grande fille toute simple d'André Roussin, qui la lance à la Libération, elle connaît le succès entre 1950 et 1970 en se produisant dans les pièces Adorable Julia, Noix de coco, Un tramway nommé Désir de Tennessee Williams ou encore Les Parents terribles de Jean Cocteau.

Son extraordinaire énergie et son perfectionnisme lui valent d'obtenir en 1965 le prix de la meilleure actrice de théâtre pour son rôle dans Qui a peur de Virginia Woolf. Plus récemment, on l'a vue à l'écran dans J'ai épousé une ombre (1983) et Camille Claudel (1988), où elle incarne la mère d'Isabelle Adjani. Auteur d'un livre Les Canards majuscules, elle abandonne sa carrière de comédienne en 1993 et reçoit un Molière d'honneur en 2001.