Agrégée de lettres classiques et professeur au lycée de Saint-Brieuc, Marie-Madeleine Dienesch s'engage, durant la guerre, dans la Résistance et fait partie du réseau Libération Nord.

En 1945, présidente de l'Union féminine civique et sociale des Côtes-du-Nord, adhérente du MRP, elle est inscrite en 3ème position sur la liste de ce parti pour les élections de l'Assemblée nationale constituante et élue le 21 octobre 1945. Au Palais Bourbon, elle participe aux travaux de la commission de l'éducation nationale et sa première intervention porte sur les instituteurs, l'insuffisance de leur traitement et leur isolement dans les communes rurales.  

Réélue en 1946 à la 2ème Assemblée nationale constituante, puis à l'Assemblée nationale de 1946 à 1978, elle est députée durant 11 mandats consécutifs. Spécialiste des questions de l'enseignement sur lesquelles porte la majorité de ses travaux, elle devient la première femme présidente d'une commission parlementaire, celle des affaires culturelles, familiales et sociales en 1967/1968. Le bilan de son activité parlementaire est considérable : 24 propositions de loi et de résolution, 33 rapports ou avis, de multiples amendements défendus et de très nombreuses interventions.

De 1968 à 1974, Marie-Madeleine Dienesch devient l'une des rares femmes à exercer une activité ministérielle : secrétaire d'Etat à l'éducation nationale, aux affaires sociales, à l'action sociale et à la réadaptation, à la santé publique et à la sécurité sociale dans les gouvernements Pompidou, Couve de Murville, Chaban-Delmas et Messmer. Elle n'eut cependant jamais droit au titre de ministre.

Ambassadeur au Luxembourg durant trois ans, député européen de 1979 à 1980, elle est également conseiller général des Côtes-du-Nord et conseiller régional de Bretagne.

Retirée de la vie politique, elle se consacre à la poésie et à la critique littéraire et disparaît le 9 janvier 1998. Marie-Madeleine Dienesch était chevalier de la Légion d'honneur.