Sua primeira aparição na TV foi em 2003, na série Law & Order, onde desempenhou o papel de Annie para dois episódios da série. Ainda em 2003 dublou a personagem principal JoJo no desenho animado da série de TV JoJo's Circus. Ela também fez uma participação regular na série da Disney Out of the Box. Em 2004 Martin interpretou a personagem April na série Law & Order: Special Victims Unit. Em 2005, ela atuou em um episódio da série Hope & Faith como Ivana Charles.
Em 2006, Madeleine atuou no filme A Era do Gelo 2, onde fez as vozes adicionais.
Em 2007, ganhou o papel de Becca Moody, filha adolescente de Hank Moody interpretado por David Duchovny no drama da Showtime Californication.
Madeleine Martin fez performances em várias músicas da série Californication, incluindo "Only Women Bleed" e "Don't Let Us Get Sick".