Madetoja syntyi Oulussa köyhään kotiin, eikä merimiesisä ehtinyt nähdä poikaansa ennen menehtymistään Amerikassa. Madetoja kirjoitti ylioppilaaksi Oulun suomalais-klassillisesta lyseosta 1906. Koulussa ollessaan hän lauloi koulun kuorossa, johti toverikunnan kuoroa ja opiskeli itsenäisesti viulun- ja pianonsoittoa. Hän opiskeli Helsingin musiikkiopistossa (nyk. Sibelius-Akatemia) ja Yliopistossa vuosina 1906-1910 Armas Järnefeltin, Erik Furuhjelmin sekä Jean Sibeliuksenssassa johdolla. Madetoja suoritti lisäksi opintoja Pariisi ja Wienissä.
Madetoja lähti Oulusta heti kirjoitettuaan ylioppilaaksi vuonna 1906. Hänellä oli kuitenkin vahvasti pohjalainen identiteetti, ja tätä kuvastaa myös säveltäjän pääteoksiin luettava ooppera Pohjalaisia (1923).
Madetoja toimi kapellimestarina Viipurissa sekä yhdessä Toivo Kuulann kanssa Kotimaisen Orkesterin apulaiskapellimestarina. Hän oli myös Helsingin Sanomien musiikkiarvostelija, Helsingin Yliopiston musiikinopettaja ja Teosto puheenjohtaja.
Madetoja kuului Pohjois-Pohjalaiseen Osakuntaan, jonka toiminnassa hän tutustui Etelä-Pohjalaisen Osakunnan jäseneen Toivo Kuulaan. Tämän kansallisromanttisen vaikutuksen innoittamana Madetoja keräsi pohjoispohjalaisia kansanlauluja kotimaakunnastaan vuosina 1907-1909. Madetojan säveltäessä musiikkia osakuntatoveri Eino Leinon näytelmään, hän tutustui puolestaan tulevaan vaimoonsa, runoilija L. Onervaan. He olivat avioliitossa vuodesta 1913, joskin Leino kuului suhteeseen jatkuvasti kolmantena pyöränä. Madetoja alkoholisoitui Leinon ja Onervan tapaan, ja kuoli Helsingissä 60-vuotiaana. Hänen tuotteliaisuutensa kääntyi viimeisinä vuosina laskuun.
Madetojan musiikissa suomalaiseen syvämietteisyyteen yhdistyy onnistuneesti ranskalainen kuulaus ja soinnin hienostuneisuus. Madetojan teoksissa ei useimmiten ole näyttäviä ulkoisia eleitä, mutta ne luovat oman persoonallisen, kauniin ja hienosyisen sisäisen maailmansa. Säveltäjä aloitti kansallisromantikkona, mutta ammensi musiikkiinsa pian vaikutteita nykytaidemusiikista ja pohjalaisesta musiikkikielestä. Psykologinen ote musiikilliseen kerrontaan kuvastuu useissa teoksissa, kuten Kuoleman puutarhassa (op. 41), oopperassa Juha (op. 74) ja baletissa Okon Fuoko (op. 58).http://www.ouka.fi/kirjasto/musaoulu/taidemusa/leevi_madetoja/leevi_madetoja.htm
Oulussa on kuvanveistäjä Aarre Aaltosen vuonna 1962 tekemä Leevi Madetojan patsas. Helsingissä toimiva Madetoja-säätiö on perustettu 1997. Suomen Säveltäjät ry on jakanut vuodesta 1988 lähtien Madetoja-palkintoja suomalaisen nykymusiikin esittäjinä ansioituneille muusikoille.
