Madeleine Ozeray sort du Conservatoire de Bruxelles avec un premier prix de comédie. Elle fait ses débuts au Théâtre du Parc de Bruxelles. Son compatriote Raymond Rouleau la remarque et l'engage dans sa troupe du Marais à Paris. Elle rencontre Louis Jouvet et devient sa compagne et sa muse de théâtre.
Madeleine Ozeray tient la vedette à l'écran dans les années 1930. Elle est la jeune reine Victoria dans La Guerre des valses (1932) de Ludwig Berger, puis Mariette dans Knock ou le Triomphe de la médecine (1932) de Louis Jouvet et Roger Goupillières. Sa spontanéité, son teint pâle, ses cheveux blonds et vaporeux et sa courte taille se prêtent à un certain nombre de mélodrames traditionnels. Quelques exceptions : elle est Julia dans Liliom (1934) de Fritz Lang, Sonia dans la version de Pierre Chenal de Crime et Châtiment et figure dans un drame de Julien Duvivier, La Fin du jour (1938). Sa carrière cinématographique est interrompue par la guerre et connaît une longue éclipse. Elle suit Louis Jouvet dans ses tournées en Amérique du Sud et reste de longues années hors de France. Vieillie, elle est encore touchante dans des rôles de composition : La Race des seigneurs (1974) de Pierre Granier-Deferre, Le Vieux Fusil (1975) de Robert Enrico.
Imposée à la scène par Louis Jouvet, Madeleine Ozeray connaît de nombreux succès dans les années 1930 et se distingue notamment dans les pièces de Jean Giraudoux.
Courts métrages 1934 | Bar de nuit | Les Exclusivités Artistiques |
| 1973 | Pousse des feuilles (La) | Francis Ramirez, Christian Rolot |
Longs métrages| 1931 | Dame de chez Maxim's (La) | Alexander Korda |
| 1932 | Une jeune fille et un million | Fred Ellis, Max Neufeld |
| 1933 | Casanova | René Barberis |
| 1933 | Dans les rues | Victor Trivas |
| 1933 | Guerre des valses (La) | Raoul Ploquin, Ludwig Berger |
| 1933 | Knock ou le triomphe de la médecine | Louis Jouvet, Roger Goupillières |
| 1933 | Liliom | Fritz Lang |
| 1933 | Un peu d'amour | Hans Steinhoff |
| 1934 | Crime et châtiment | Pierre Chenal |
| 1934 | Maison dans la dune (La) | Pierre Billon |
| 1934 | Secret des Woronzeff (Le) | André Beucler, Arthur Robison |
| 1935 | Mystères de Paris (Les) | Félix Gandera |
| 1935 | Sous la griffe | Christian-Jaque |
| 1936 | Coupable (Le) | Raymond Bernard |
| 1937 | Dame de pique (La) | Fedor Ozep |
| 1937 | Ramuntcho | René Barberis |
| 1938 | Fin du jour (La) | Julien Duvivier |
| 1944 | Père Chopin (Le) L'Oncle du Canada | Fedor Ozep |
| 1972 | Anges (Les) | Jean Desvilles |
| 1973 | Race des seigneurs (La) | Pierre Granier-Deferre |
| 1975 | Vieux fusil (Le) | Robert Enrico |
| 1979 | Chère inconnue | Moshé Mizrahi |