Née dans une famille aisée de petite noblesse, qui gravite dans l’entourage du cardinal de Richelieu son baptême eut lieu le 18 mars 1634 en l’église Saint-Sulpice. Furent désignés pour parrain Urbain de Maillé-Brézé, maréchal de France, et pour marraine Marie-Madelaine de Vignerot, dame de Combalet, plus tard duchesse d’Aiguillon, nièce de Richelieu. Sa mère, Isabelle Pena fille de François Pena, médecin ordinaire du Roi, et de son épouse, Michelle Coupe, est au service de la duchesse Marie-Madeleine d’Aiguillon. Son père, Marc Pioche de la Vergne, écuyer du roi, sieur de La Vergne et gouverneur du neveu de Richelieu, Jean-Armand de Maillé-Brézé, meurt d’une balle dans le torse alors qu’elle n’a que 15 ans. L’année suivante, en 1650, elle devient dame d’honneur de la reine Anne d’Autriche et commence à acquérir une éducation littéraire auprès du grammairien 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.
Le 21 décembre 1650, sa mère se remarie avec Renaud de Sévigné, l’oncle de Marie de Sévigné. Marie-Madeleine et la marquise lient une amitié indissoluble. En 1655, elle épouse, à l’âge de 21 ans, un Auvergnat de 18 ans son aîné, François Motier, comte de La Fayette, frère de Louise de La Fayette. Ce veuf, qui mène une existence retirée dans son château, lui apporte la fortune et un nom. 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 haute société de la Cour et à ouvrir avec succès son propre salon. 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 Huet dont le Traité de l’origine des romans sera publié en préface de son Zaïde. 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 s’y lie d’amitié avec La Rochefoucauld.
La Rochefoucauld présente Marie-Madeleine 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.
Elle est de ceux auxquels Boileau présente, le 15 décembre 1673, son Art poétique. C’est le 17 mars 1678 que paraît La Princesse de Clèves. D’abord éditée par un de ses amis. Cette œuvre, dont le succès fut immense, passe souvent pour être un prototype 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. La comtesse quitte la cour. Elle meurt en laissant des textes qui ne seront publiés qu’après sa mort, Histoire d’Henriette d’Angleterre en 1720, et La comtesse de Tende en 1718 et Mémoires de la Cour de France en 1731