Film:
* La mano che dondola la culla (1992) - nel ruolo di Emily Mott
* La bellezza dentro (2012) - da giovane donna
* Californicazione (2011) - nel ruolo di Daisy
* L'ultima risorsa (2015) - nel ruolo di Zoe
* Il vicino alla finestra (2021) - come Megan
* La tenuta (2022) - come Macey
* L'invisibile (2023) - come Lucia
Televisione:
* La mia cosiddetta vita (1994-1995) - come Grazia
* La pratica (1997-2004) - come Jenna
* Una mamma per amica (2000-2007) - come zingaro
* La tata (1993-1999) - nel ruolo di Maggie Sheffield
* Ai confini della realtà (2002) - nel ruolo di Sarah
* Eroi (2006-2010) - nel ruolo di Claire Bennet
* Twin Peaks (2017) - nel ruolo di Shelly Johnson
* Casalinga americana (2016-2021) - come Katie Otto
* L'OA (2016-2019) - come Jesse
* Il buon dottore (2017-oggi) - nel ruolo della dottoressa Carly Lever
* L'ultima nave (2014-2018) - nel ruolo della dottoressa Rachel Scott
* Law &Order:Unità vittime speciali (2000-presente) - in vari ruoli
* CSI:Miami (2002-2012) - come vari ruoli
* Casa (2004-2012) - come vari ruoli
* Grey's Anatomy (2005-oggi) - in vari ruoli
Questo non è un elenco esaustivo, ma rappresenta alcune delle sue opere più importanti e popolari. Madeline Zima ha continuato a lavorare costantemente nel cinema e in televisione, mettendo in mostra il suo versatile talento nella recitazione.