Вирджиния Мэдсен родилась 11 сентября 1964 года в Чикаго. Ее отец Кельвин работал пожарным, а мать - Элейн Мэдсен - занималась литературной деятельностью - писала стихи, сценарии, увлекалась режиссурой. Брат Вирджинии - известный артист Майкл Мэдсен, завоевавший популярность благодаря игре в фильмах «Бешеные псы», «Убить Билла», «Город грехов» и в других, ставших культовыми картинах. Также у Вирджинии есть старшая сестра Шерил - владелица ресторана в Висконсине.
Свое актерское образование Мэдсен получила в театральной студии Тэда Лисса и на семинарских занятиях «Harand Camp Adult Theater».
Первой работой в кино для Вирджинии стала эпизодическая роль в молодежном ромкоме «Класс» в 1983 году. Затем последовала роль в не особо примечательной музыкальной драме «Электрические мечты» и съемки в фантастической картине признанного мастера артхаусного, интеллектуального кино Дэвида Линча - «Дюна».
Мэдсен исполнила роли главных героинь во многих кинокартинах: «После секса», «Произведение искусства», «Горячее местечко», «Кэндимен», «Клин клином», «Современные девчонки», «Школа зомби» и других, однако свой глубокий драматический талант Мэдсен проявила, играя второстепенных, но характерных, ярких персонажей: Кэтрин в триллере Грегори Уайдена «Пророчество», Дикси в оскаровском лауреате - картине Роба Райнера «Призраки Миссисипи», Джейси в драме Ф. Ф. Копполы «Благодетель». В 2005 году актриса одновременно была номинирована сразу на три престижные кинематографические премии («Золотой глобус, «Оскар», и «Премия гильдии актеров») за роль официантки Майи в трагикомедии Александра Пэйна «На обочине».
«На обочине» сделала Вирджинию признанной «голливудской звездой» - после съемок у Пэйна актриса была задействована в таких крупных и успешных проектах, как «Роковое число 23» с Джиммом Кэрри, «Призраки в Коннектикуте» с Кайлом Галлнером, «Третий акт» с Морганом Фриманом, «Огненная стена» с Харрисоном Фордом, «Астронавт Фармер» с Билли Бобом Торнтоном.
Также Мэдсен сыграла во множестве рейтинговых американских телесериалов: «Детективное агентство «Лунный свет», «Звездный путь», «Бухта Доусона», «Лига справедливости», «C.S.I.: Маями» и других.
В 2008 году Мэдсен возглавила свою собственную продюсерскую компанию «Title IX Prods».
С 1989 по 1992 Вирджиния была замужем за известным актером Дэнни Хьюстоном. В 1994 году она родила сына от популярного актера и модели Антонио Сабато-младшего.
