Madi Wilson creció en la zona rural de Queensland. Sus abuelos eran propietarios de un centro de natación, por lo que era lógico que empezará a nadar.

Cuando crecíó, también jugaba al fútbol y al baloncesto, pero se rompió el brazo en tres ocasiones jugando al baloncesto, por lo que se apartó de este deporte.​

Madi se especializa principalmente en las pruebas de velocidad y tuvo sus primeros grandes éxitos en 2012, cuando se clasificó para los Pan Pac Junior en los 100 metros espalda. Después, debutó en los Juegos Olímpicos de Río tras clasificarse en los 100 metros espalda con una actuación destacada en los Nacionales de 2016, donde quedó segunda, detrás de la campeona del mundo de 2015, Emily Seebohm.​

Madi tuvo un comienzo sorprendente en su primera carrera olímpica al terminar segunda en su serie de 100 metros espalda, antes de ganar su semifinal. A continuación, terminó octava en su primera final olímpica. La nadadora de Queensland participó en las dos series del relevo de 4x100 metros estilo libre y en el relevo de 4x100 metros medley. Australia ganó el oro en el relevo de estilo libre y la plata en el relevo de medley.​

En 2019, Madi compitió en los Campeonatos del Mundo celebrados en Gwangju, donde formó parte del relevo femenino de 4x200 metros libres que ganó la medalla de oro, estableciendo un nuevo récord mundial en el proceso.​

En las pruebas olímpicas de 2021, Madi se clasificó para formar parte de su segundo equipo olímpico, en el que consiguió un oro como miembro del equipo de relevos de 4x100 metros libres, así como un bronce en el equipo de relevos de 4x200 metros libres.