Virginia Madsen 1961. szeptember 11-én született Chicagóban. Édesanyja költő, drámaíró és producer, édesapja tűzoltó volt. Először a szintén színész testvérével lépett fel egy bűvész show alaklmával, majd Chicagóban és Winsconsinban tanult tovább. Két kisebb produkciót (Én és a te anyád, 1983, Komputer-szerelem, 1984) követően David Lynch Dűne (1984) című filmjében játszotta Irulan hercegnőt, a Lombikfeleségben (1985) pedig Peter O'Toole oldalán kapott lehetőséget. A ’80-as évek egyik szexszimbólumává vált a Fire with Fire (1986) című filmet követően, ahol katolikus iskoláslányként esik szerelembe egy börtönbe került fiúval. A ’90-es években többek között olyan horrorokban láthattuk, mint a Kampókéz, (1992) vagy a Christopher Walken főszereplésével készült Angyalok háborúja (1995). Ezt követte a polgárjogi mozgalomról szóló dráma, a Kísért a múlt (1996), majd Francis Ford Coppola rendezésében bemutatott Az esőcsináló (1997) Matt Damonnal főszerepben.

Egyik legsikerültebb alakítása a kultikus Kerülőutakhoz (2004) köthető, melyet további A-listás filmek követtek: a Tűzfal (2006) Harrison Forddal, majd a Robert Altman rendezésében forgatott az Az utolsó adás (2006). A Családi űrutazás (2006) után A 23-as számban (2007) is láthattuk.

A filmes karrierje mellett tévésorozatokban is szerepeket vállalt, ilyen volt a Star Trek: Voyager, a CSI: Miami vagy a Dawson és a haverok. 2008 óta saját produkciós irodája van, 2009-ben édesanyjával közösen dokumentumfilmet készítettek I Know a Woman Like That címmel. Madsen és Danny Huston 1989 és 1992 között voltak házasok. Egy gyereke született Antonio Sabàto Jr.-tól 1994-ben.