Принцесса Мадлен была пятым ребёнком короля Франции Франциска I от его брака с Клод, герцогиней Бретонской. Слабая и болезненная с рождения, принцесса провела детство в долине Луары, так как её отец опасался, что жизнь в Париже может неблагоприятно отразиться на её состоянии. В шестнадцатилетнем возрасте у неё был обнаружен туберкулёз.
В 1536 году Яков V, король Шотландии, прибыл ко двору Франциска с целью найти себе невесту с богатым приданым, которое пополнило бы опустевшую казну, а также по возможности упрочить связи с французским королевством. Его внимание привлекла принцесса Мадлен, и он просил её руки. Но Франциск, памятуя о её недуге и суровом климате Шотландии, который мог оказаться губительным для дочери, поначалу ответил отказом. Рассматривалась также помолвка с Марией де Гиз, но Яков предпочёл принцессу.
Поскольку и сама Мадлен выразила живейший интерес к молодому шотландскому королю, повторное предложение Якова было принято. Они обвенчались 1 января 1537 года в Соборе Парижской Богоматери. Посредством этого брака Франциск и Яков надеялись возобновить и укрепить Старый союз между Шотландией и Францией. Кроме того, король дал за дочерью щедрое приданое.
После нескольких месяцев праздничных торжеств в мае 1537 года молодожёны отбыли в Шотландию. На тот момент здоровье Мадлен уже внушало серьёзные опасения, и 7 июля, спустя несколько недель после приезда, она скончалась на руках у супруга.
Королева Мадлен была похоронена в Холирудском аббатстве в Эдинбурге. Менее чем через год после её смерти Яков женился на Марии де Гиз.