Issue d'une famille modeste vivant dans un village près de Romorantin, en Sologne, région à qui elle empruntera son surnom, elle quitte La Ferté-Imbault à la mort de son père. Elle se place à 16 ans comme apprentie chez Caroline Reboux, célèbre enseigne de création de chapeaux à la mode, à Paris. Elle ouvre ensuite son propre magasin de modiste.
En 1936, elle épouse Alain Douarinou, technicien du cinéma. Elle devient parallèlement le modèle du peintre Mojzesz Kisling, qui l'incite à prendre des cours de théâtre, ce qu'elle fera auprès de Julien Bertheau et de Jacques Baumer. Sa première expérience théâtrale est dans "Boccace, conte 19", pièce de Julien Luchaire. Elle fait ses débuts au cinéma, décrochant un petit rôle dans "La vie est à nous" de
Jean Renoir, en 1936.
Sa chevelure brune la voue ensuite aux rôles de gitanes, notamment dans "Les gens du voyage", de
Jacques Feyder. Elle progresse dans la carrière en partenaire de Fernandel dans "Raphaël le tatoué" de
Christian-Jaque. En 1941, elle accède au statut de vedette aux côtés de
Erich von Stroheim et
Robert Le Vigan dans "Le monde tremblera". En 1941, la voilà dans "Fièvres" de
Jean Delannoy, en femme de
Tino Rossi, dévorée par la jalousie et mourant de chagrin devant l'infidélité de son mari.
La consécration viendra avec L'Éternel Retour, écrit par
Jean Cocteau et réalisé par
Jean Delannoy. Le thème développe la légende modernisée de Tristan et Iseult. Aux côtés d'un débutant,
Jean Marais arborant le désormais célèbre chandail jacquard, elle incarne Nathalie, nouvelle Iseult à la longue chevelure blonde (elle s'est teinte pour l'occasion). Le couple, qui symbolise la jeunesse vivant sous le joug de l'Occupation, devient mythique aux yeux de toute une génération. Les jeunes filles se coiffent désormais « à la Madeleine Sologne », avec une longue mèche tombante.
Ce personnage considérable et la notoriété qui s'en suit sera paradoxalement son chant du cygne. Après quelques rôles mineurs, la comédienne abandonne les plateaux en 1948. On la voit encore au théâtre, notamment dans La forêt pétrifiée de Robert Emmet Sherwood, puis dans Aux quatre coins de
Jean Marsan et dans L'homme traqué de Francis Carco.
On l'apercevra une dernière fois au cinéma en 1969, dans
Le Temps des loups de
Sergio Gobbi. Divorcée de Alain Douarinou, elle avait ensuite épousé le directeur de production Léopold Schlosberg.
Madeleine Sologne décède dans une maison de santé de Vierzon, le 31 mars 1995.