Madeleine Arthur fue una gimnasta competitiva durante 13 años antes de cambiar su enfoque a la actuación. Obtuvo sus primeros trabajos en 2011 y pronto consiguió el papel de Jane Keane, la hija del personaje de Amy Adams en la película biográfica Ojos grandes (2014) de Tim Burton. Arthur también tuvo papeles como invitada en The Killing, The Tomorrow People y Supernatural. Fue elogiada por su participación como la joven Willa Warren en la serie dramática de ABC The Family. En 2018 fue elegida para el papel de Christine, la mejor amiga de Lara Jean (Lana Condor) en el éxito de Netflix A todos los chicos de los que me enamoré (2018), adaptación cinematográfica de la novela romántica para jóvenes adultos de Jenny Han dirigida por Susan Johnson. En 2020 volvió a este papel en A todos los chicos: P.D. Todavía te quiero (2020) y en A todos los chicos: Para siempre (2021), las cuales se filmaron simultáneamente bajo la dirección de Michael Fimognari.