Petsch nació el 18 de agosto de 1994 en Port Orchard, Washington. A los 3 años, desarrolló una pasión por la danza, y así comenzó a tomar clases de baile y clases de actuación dos años más tarde. Sus padres son sudáfricanos y vivió en Sudáfrica junto a sus padres y su hermano Shawn durante diez años antes de regresar a Los Ángeles a los 18 años para comenzar su carrera artística después de graduarse.
Petsch apareció en una campaña de publicidad nacional para Coca - Cola en 2014.
En 2015, Madelaine dio sus primeros pasos en el cine como extra en la película de ciencia ficción La colmena y la serie Instant Mom. Actualmente ella audicionó para una participación especial en Legends of Tomorrow y el director del casting que también era el de Riverdale le dijo que audicionará para el piloto como Betty Cooper, que luego paso a Cheryl Blossom donde más tarde obtuvo el papel, basada en los personajes de Archie Comics, que se emite en The CW. En marzo de 2017, se anunció que Petsch participaría en la película de terror Polaroid.
A la edad de 14 años se convirtió en vegana, y participó en una campaña de sensibilización de PETA. Actualmente vive con su compañera de reparto Lili Reinhart en Vancouver, y de vez en cuando viaja a Los Ángeles.
