Marie-Madeleine Pioche de La Vergne est née dans une famille aisée de petite noblesse, qui gravite dans l’entourage du cardinal de Richelieu. Sa mère, fille d’un médecin du roi, est au service de la duchesse Marie-Madeleine d'Aiguillon, qui l'est depuis sa naissance. Son père, Marc Pioche de la Vergne, écuyer du roi, meurt alors qu’elle n’a que quinze ans. L’année suivante, elle devient dame d’honneur de la reine Anne d’Autriche. Elle commence également à acquérir une éducation littéraire avec Ménage qui lui enseigne l’italien et le latin. Ce dernier l’introduit alors dans les salons littéraires en vogue de Catherine de Rambouillet, de la Marquise du Plessis-Bellière et de Madeleine de Scudéry.

En 1650, sa mère se remarie avec Renaud de Sévigné, l’oncle de Marie de Sévigné ; les deux femmes deviendront « les plus chères amies du monde » pour toujours. En 1655, elle épouse, à l’âge de 21 ans, un Auvergnat de dix-huit ans son aîné, François Motier, comte de La Fayette dont elle aura deux fils. Elle l’accompagne dans ses domaines familiaux en Auvergne et dans le Bourbonnais bien qu’elle retourne fréquemment à Paris où elle commence à s’introduire dans la société de la cour et à ouvrir avec succès son propre salon. Leur bonheur conjugal semble avoir sombré après quelques années de mariage, après la naissance de leurs fils, date à partir de laquelle François de La Fayette se fait tellement discret qu'il semble avoir littéralement disparu (ce n'est qu'à la fin du XIXe siècle qu'un document trouvé dans les archives de la Trémoille indique que ce mari silencieux avait vécu jusqu'au 26 juin 1683) . La Bruyère a résumé ainsi cette étrange situation : « Nous trouvons à présent une femme qui a tellement éclipsé son mari, que nous ne savons pas s’il est mort ou en vie… »

On compte, parmi les connaissances de Marie-Madeleine de La Fayette, Henriette d'Angleterre, future duchesse d’Orléans, qui lui a demandé d’être sa biographe ; le Grand Arnauld et les principaux auteurs français Segrais et Huet dont le Traité de l'origine des romans sera publié en préface de son Zayde. Au tout début de la Fronde, elle a également été proche du cardinal de Retz.

Établie de façon définitive à Paris en 1659, elle fait paraître anonymement La Princesse de Montpensier en 1662. De 1655 à 1680, elle sera étroitement liée avec La Rochefoucauld (l’auteur des Maximes), dont elle dira : « M. de La Rochefoucauld m’a donné de l’esprit, mais j’ai réformé son cœur. » La Rochefoucauld présente Marie-Madeleine de La Fayette à beaucoup de grands esprits littéraires du temps, y compris Racine et Boileau. 1669 voit la publication du premier tome de Zaïde, un roman hispano-mauresque édité sous la signature de Segrais mais presque certainement dû à La Fayette. Le deuxième volume paraît en 1671. Zaïde fut l’objet de rééditions et de traductions notamment grâce à la préface de Huet.

Le roman le plus célèbre de Marie-Madeleine de La Fayette est La Princesse de Clèves, d’abord édité par un de ses amis en mars 1678 car à cette époque les femmes n'étaient pas censées écrire et publier. Cette œuvre, dont le succès fut immense, passe souvent pour être le premier véritable roman français et un prototype du début du roman d'analyse psychologique.

La mort de La Rochefoucauld en 1680 puis du comte de La Fayette en 1683 la conduit à mener une vie sociale moins active dans ses dernières années. Elle s'est clairement retirée de la vie mondaine, afin de se préparer à la mort, avec une perspective eschatologique, très présente à l'époque.

Trois de ses ouvrages ont été édités à titre posthume : La Comtesse de Tende (1718), Histoire d’Henriette d’Angleterre (1720) et Mémoires de la Cour de France (1731).