Attore, poeta e fotografo, Michael Madsen nasce il 25 settembre del 1958 a Chicago, in Illinois. Sua madre è produttrice cinematografica e scrittrice, mentre suo padre fa il vigile del fuoco. Fratello dell'attrice Virginia Madsen, Michael si accosta alla recitazione quand'è ancora ragazzo, entrando a far parte della Steppenwolf Theatre Company, dove finisce tra le "grinfie" di John Malkovich. L'esordio davanti alla macchina da presa avviene nel 1982, quando Edward McDougall gli affida la parte di un uomo alcolizzato e sull'orlo del suicidio nel film indipendente Against All Hope.
A questo ruolo da protagonista ne seguono altri meno significativi ma in produzioni più importanti: Wargames - Giochi di guerra e Il migliore, in cui Madsen affianca Robert Redford. Il decennio successivo gli regala Thelma & Louise, nel quale è il fidanzato del personaggio di Susan Sarandon. Poi, ecco arrivare il grande colpo di fortuna e il successo internazionale grazie a Quentin Tarantino, che lo chiama a impersonare il sadico Mister Blonde ne Le Iene. Fra il regista e l'attore si stabilisce immediatamente un feeling molto paricolare e i due lavoreranno insieme anche per Kill Bill: volume 1, Kill Bill: volume 2 e The Hateful Eight.
Negli anni Novanta, Michael lega il proprio nome a film piuttosto significativi, in cui si specializza in parti da cattivo: se in Getaway è l'assassino Rudy, in Donnie Brasco fa il mafioso Sonny Black. Nemmeno i suoi "buoni" passano inosservati. Degni di nota sono il papà del giovane Jesse di Free Willy - Un amico da salvare e il cacciatore di alieni di Species - Specie Mortale. Fra gli altri film nei quali Michael Madsen recita in questo periodo, non va dimenticato il noir di Lee Tamahori Scomodi omicidi. Con lo stesso regista Madsen lavorerà anche nel Bond Movie 007 - La morte può attendere, in cui sarà un alto funzionario della NSA.
Nel nuovo millennio Madsen ha la fortuna di ricoprire il ruolo di Bob nel segmento Quel bastardo giallo (parte 1) di Sin City, per poi divertirsi a fare la parodia di Tim Robbins ne La guerra dei mondi in Scary Movie 4 di David Zucker, suo regista anche per La moglie del mio capo. L'anno successivo l'attore ritrova una parte da protagonista in Boarding Gate di Olivier Assayas e in Hell Ride, dov'è un pistolero motociclista tosto e implacabile.
In tempi recenti Madsen non ha disdegnato la televisione, apparendo in serie come 24 e CSI: Miami, mentre al cinema ha spesso preferito accostarsi a produzioni non legate agli Studios. Ha rincontrato Daryl Hannah (sua collega nei due Kill Bill) nel piccolo film italiano 2047 - Sights of Death e ha parecipato al biopic su Franco Califano Non escludo il ritorno.
Fin dagli inizi della sua carriera, Michael Madsen si è dedicato alla poesia, scrivendo su tovaglioli, foglietti e altri supporti cartacei nei momenti di pausa fra un ciak e l'altro. Dennis Hopper in passato lo ha paragonato a Jack Kerouac e il suo talento è stato spesso premiato da prestigiosi riconoscimenti letterari. Dopo due divorzi, Michael ha sposato DeAnna Morgan, da cui ha avuto 3 figli. Insieme alla famiglia ha preso una casa e la residenza a Fallo, paese in provincia di Chieti dove intende vivere stabilmente.