Madeleine Stowe wurde als älteste von drei Schwestern geboren. Sie wuchs in Eagle Rock, einer Vorstadt von Los Angeles, auf. Ihr Vater stammte aus Oregon und ihre Mutter kam ursprünglich aus Costa Rica.
Als sie zehn Jahre alt war, nahm Stowe Klavierstunden mit dem Ziel, Konzertpianistin zu werden. Damit hörte sie allerdings auf, als ihr Lehrer 1976 starb. Sie studierte zunächst Film und Journalistik an der Universität von Südkalifornien, brach das Studium aber ab und spielte am Theater Solaris in Beverly Hills, wo sie ein Filmagent entdeckte und ihr dann Auftritte in Fernseh- und Kinofilmen besorgte. Das erste Mal stand sie 1978 in dem FernsehfilmThe Nativity vor der Kamera. 1981 gab sie ihr Kinodebüt in dem Film Bis zum letzten Schuss.
Stowe spielte fast fünfzehn Jahre lang nur kleine Rollen als Nebendarstellerin in verschiedenen Filmen. Einige ihrer Darstellungen wurden dennoch bekannt, wie zum Beispiel 1987 in Die Nacht hat viele Augen oder 1990 in Revenge – Eine gefährliche Affäre mit Kevin Costner. 1992 erhielt sie ihre große Chance, als ihr die Hauptrolle der Offizierstochter Cora in Der letzte Mohikaner an der Seite von Daniel Day-Lewis angeboten wurde.
Danach folgten mehrere größere Filme. Der Regisseur Robert Altman engagierte Stowe 1993 für eine Rolle in dem EpisodenfilmShort Cuts auf der Grundlage mehrerer Erzählungen von Raymond Carver, in dem sie eine ihrer besten Darstellungen gab. Sie war eine ergreifende blinde Musikerin in dem ThrillerBlink – Tödliche Augenblicke und spielte die Psychiaterin Dr. Railly in dem Science-Fiction-Film Twelve Monkeys mit Bruce Willis und Brad Pitt. 1996 unterbrach Stowe ihre Filmkarriere, um sich auf ihre Mutterschaft zu konzentrieren. 1998 kehrte sie mit dem FilmdramaWunsch & Wirklichkeit ins Filmgeschäft zurück. Von 2011 bis 2015 spielte sie die Victoria Grayson in der Thrillerserie Revenge.
Stowe ist seit 1986 mit Schauspielkollege Brian Benben verheiratet, mit dem sie 1981 bei einem Fernsehfilm zusammengearbeitet hatte. Das Paar hat eine Tochter. Sie verbringen ihre freie Zeit auf einer Rinderfarm in Texas.
