Premier prix de comédie au Conservatoire de Paris, Madeleine Renaud est engagée à la Comédie-Française en 1921, où elle reste jusqu'en 1946.
Si le cinéma muet ne donne guère de rôles à Madeleine Renaud, le début du parlant l'impose avec Jean de la Lune (1931) de Jean Choux, où elle partage l'affiche avec Michel Simon. Actrice de théâtre de premier plan, elle apporte son charme et sa vivacité à des pièces filmées et à des films quelque peu oubliés. C'est avec Jean Grémillon qu'elle trouve ses meilleurs rôles, où elle peut exprimer toutes les facettes de son talent : épouse compréhensive de Raimu (L'Etrange Monsieur Victor, 1937), épouse délaissée et meurtrie de Jean Gabin (Remorques, 1939), compagne perverse (Lumière d'été, 1942) et petite-bourgeoise dévorée par sa passion de l'aviation (Le Ciel est à vous, 1943). Après la Seconde Guerre mondiale, Madeleine Renaud se consacre surtout au théâtre. De loin en loin, elle sait choisir des rôles à sa mesure. Savoureuse Madame Tellier dans le plus important des sketchs du Plaisir (1951) de Max Ophüls, elle devient une châtelaine pleine de malice dans Le Diable par la queue (1969) de Philippe de Broca ou se transforme en mère possessive dans Des journées entières dans les arbres (1977) de Marguerite Duras.
Après la Seconde Guerre mondiale, la vie de Madeleine Renaud se confond avec celle de Jean-Louis Barrault. Ensemble, ils créent la compagnie Renaud-Barrault en 1947, au Théâtre Marigny. Au cours de leurs tournées qui les mènent de théâtre en théâtre et dans de nombreux pays, le couple visite les répertoires classiques et d'avant-garde.
Courts métrages 1933 | Boubouroche | André Hugon |
| 1943 | MCDXXIX-MCMXLII = De Jeanne d'Arc à Philippe Pétain | Sacha Guitry |
| 1951 | Maison Tellier] ([La) | Max Ophuls |
Longs métrages| 1922 | Molière, sa vie, son oeuvre | Jacques de Féraudy |
| 1922 | Vent debout | René Leprince |
| 1926 | Terre qui meurt (La) | Jean Choux |
| 1931 | Couturière de Lunéville (La) | Harry Lachman |
| 1931 | Jean de la lune | Jean Choux |
| 1931 | Mistigri | Harry Lachman |
| 1931 | Serments | Henri Fescourt |
| 1932 | Belle marinière (La) | Harry Lachman |
| 1932 | Maternelle (La) | Jean Benoit-Levy, Marie Epstein |
| 1933 | Primerose | René Guissart |
| 1933 | Tunnel (Le) | Kurt Bernhardt |
| 1933 | Voleur (Le) | Maurice Tourneur |
| 1934 | Marche nuptiale (La) | Mario Bonnard |
| 1934 | Maria Chapdelaine | Julien Duvivier |
| 1934 | Une soirée à la Comédie Française | Léonce Perret |
| 1935 | Coeur de gueux | Jean Epstein |
| 1936 | Demi-vierges (Les) | Pierre Caron |
| 1936 | Hélène | Jean Benoit-Levy, Marie Epstein |
| 1936 | Petites alliées (Les) | Jean Dréville |
| 1937 | Etrange Monsieur Victor (L') | Jean Grémillon |
| 1939 | Remorques | Jean Grémillon |
| 1942 | Lumière d'été | Jean Grémillon |
| 1943 | Ciel est à vous (Le) | Jean Grémillon |
| 1943 | Escalier sans fin (L') | Georges Lacombe |
| 1951 | Plaisir (Le) | Max Ophuls |
| 1959 | Dialogue des Carmélites (Le) | Raymond-Léopold Bruckberger, Philippe Agostini |
| 1961 | Longest Day (The) Le Jour le plus long | Ken Annakin, Andrew Marton, Bernhard Wicki, [etc.] |
| 1968 | Diable par la queue (Le) | Philippe de Broca |
| 1971 | Humeur vagabonde (L') | Edouard Luntz |
| 1971 | Mandarine (La) | Edouard Molinaro |
| 1976 | Des journées entières dans les arbres | Marguerite Duras |
| 1987 | Lumière du lac (La) | Francesca Comencini |