Issue d'une famille modeste, Madeleine Vouillon quitte son village après la mort de sa mère et se rend à Paris. D'abord apprentie chez Caroline Reboux, grand chapelier de l'entre-deux-guerres, elle devient gérante de son propre magasin. C'est sous l'influence du peintre Kisling, pour lequel elle est modèle pendant deux ans, qu'elle commence des cours de théâtre. Une première expérience dans une pièce de Julien Luchaire, Boccace, conte 19, l'incite à faire ses débuts au cinéma et, en 1936, elle obtient un petit rôle dans La vie est à nous de Jean Renoir.
Les premières prestations cinématographiques de Madeleine Sologne sont modestes. En 1938, sa chevelure brune lui vaut essentiellement des rôles de gitanes (Les filles du Rhône de Jean-Paul Pantin, Les gens du voyage de Jacques Feyder), et elle est la partenaire de Fernandel dans Raphaël le tatoué de Christian-Jaque, film qui lance véritablement sa carrière. En 1941, dans Fièvres de Jean Delannoy, elle interprète la femme de Tino Rossi, morte de chagrin à cause de l'infidélité de son mari. Ce gros succès commercial promeut l'actrice au rang de vedette. La consécration arrive en 1943, lorsque Madeleine Sologne est immortalisée dans L'éternel retour, écrit par Jean Cocteau et réalisé par Jean Delannoy. La légende modernisée de Tristan et Iseult consacre un débutant, Jean Marais, et marque à jamais l'actrice, devenue pour tous Nathalie, la nouvelle Iseult à la longue chevelure blonde. Symbole d'une génération subissant l'Occupation, le couple mythique est porté au pinacle. Après quelques rôles de femmes torturées ou amoindries (une folle dans Un ami viendra ce soir, 1946, de Raymond Bernard ; une aveugle dans La foire aux chimères, id., de Pierre Chenal), la comédienne décide de quitter les écrans en 1948 et se tourne vers le théâtre. Les naufrageurs (1958) de Charles Brabant et Le temps des loups de Sergio Gobbi lui donnent un temps l'occasion de reparaître sous les feux des projecteurs.
Madeleine Sologne s'illustre au théâtre à partir de 1948. On la voit dans La forêt pétrifiée de Robert Emmet Sherwood, puis dans Aux quatre coins de Jean Marsan et dans L'homme traqué de Francis Carco.
Courts métrages 1936 | Une femme par interim | André Hugon |
| 1937 | Record 37 | Jacques Bernard Brunius, Jean Tarride |
| 1937 | Réserviste improvisé (Le) | André Hugon |
| 1939 | Compagnons de Saint-Hubert (Les) | Jean Georgesco |
| 1941 | Nous les jeunes | Maurice Cloche |
Longs métrages| 1936 | Pantins d'amour | Walter Kapps |
| 1936 | Vie est à nous (La) | Jean Renoir, André Zwobada, Jacques Becker, [etc.] |
| 1937 | Filles du Rhône (Les) | Jean-Paul Paulin |
| 1937 | Forfaiture | Marcel L'Herbier |
| 1937 | Franco de port | Dimitri Kirsanoff |
| 1937 | Gens du voyage (Les) | Jacques Feyder |
| 1937 | Plus belle fille du monde (La) | Dimitri Kirsanoff |
| 1937 | Temps des cerises (Le) | Jean-Paul Dreyfus |
| 1938 | Adrienne Lecouvreur | Marcel L'Herbier |
| 1938 | Conflit | Léonide Moguy |
| 1938 | Danube bleu (Le) | Alfred Rode, Emile Edwin Reinert |
| 1938 | Père Lebonnard (Le) | Jean de Limur |
| 1938 | Raphaël le tatoué | Christian-Jaque |
| 1939 | Monde tremblera = La Révolte des vivants (Le) | Richard Pottier |
| 1941 | Croisières sidérales | André Zwobada |
| 1941 | Départ à zéro | Maurice Cloche |
| 1941 | Fièvres | Jean Delannoy |
| 1941 | Hommes sans peur (Les) | Yvan Noé |
| 1942 | Appel du bled (L') | Maurice Gleize |
| 1942 | Loup des Malveneur (Le) | Guillaume Radot |
| 1943 | Eternel retour (L') | Jean Delannoy |
| 1943 | Vautrin | Pierre Billon |
| 1944 | Mademoiselle X | Pierre Billon |
| 1945 | Marie la misère | Jacques de Baroncelli |
| 1945 | Un ami viendra ce soir | Raymond Bernard |
| 1946 | Foire aux chimères (La) | Pierre Chenal |
| 1947 | Dessous des cartes (Le) | André Cayatte |
| 1947 | Figure de proue (La) | Christian Stengel |
| 1947 | Une grande fille toute simple | Jacques Manuel |
| 1958 | Naufrageurs (Les) | Charles Brabant |
| 1960 | Il suffit d'aimer | Robert Darène |
| 1969 | Temps des loups (Le) | Sergio Gobbi |