Né le 21 avril 1920 à Venise, Bruno Grossato – il décidera ensuite de prendre le nom de sa mère Caterina Maderna – commence à étudier le violon à l’âge de quatre ans avec son grand-père qui lui ouvre ainsi le monde de la musique. Encore enfant, il joue plusieurs instruments (violon, batterie, accordéon) dans le petit orchestre de variété de son père Umberto Grossato, avec lequel il fait le tour de la région et des plus importants cafés de Venise. Enfant prodige, de 1932 à 1935, pendant le régime fasciste, il dirige plusieurs concerts de musique symphonique à Milan, Trieste, Venise, Padoue et Vérone.

Resté orphelin à l’âge de quatre ans, il fut ensuite adopté par Irma Manfredi, une dame aisée de Vérone qui lui garantit une éducation musicale régulière et solide. Le jeune Maderna prend ainsi des cours privés d’harmonie et de composition avec Arrigo Pedrollo (1935-1937). Il étudie ensuite avec Alessandro Bustini au Conservatoire de Rome (1937-1940), où il obtient son diplôme de composition.

Après l’expérience romaine, il rentre à Venise où il suit le Cours de perfectionnement pour compositeurs  (1940-1942) organisé par Gianfrancesco Malipiero au Conservatoire Benedetto-Marcello (Concerto pour piano et orchestre, 1941). Il étudie également la direction d’orchestre avec Antonio Guarnieri à l’Accademia Chigiana de Sienne (1941) et avec Hermann Scherchen à Venise (1948). La rencontre avec Scherchen est fondamentale pour le jeune musicien vénitien, car, grâce à lui, il découvre la technique dodécaphonique et le œuvres de la Seconde école de Vienne.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, il participe à la Résistance partisane, expérience de vie pour lui décisive. De 1948 à 1952 il enseigne le solfège au Conservatoire de Venise. Pendant cette période, il collabore avec Malipiero à l’édition critique de la musique ancienne italienne et il fait la connaissance de Luigi Nono (1946) avec lequel il crée un groupe de recherche et d’étude qui travaille, d’un côté, sur la musique ancienne (à la Bibliothèque Marciana) et, de l’autre, sur la musique contemporaine. Il rencontre Luigi Dallapiccola qui aura une influence importante sur la production madernienne de cette période (Tre liriche greche, 1948). Dès 1949, avec la Fantasia e Fuga (B.A.C.H. Variationen), il prend part au Ferienkurse für neue Musik de Darmstadt, dont il sera, avec Boulez, Nono et Stockhausen, l’un des protagonistes important pendant les années cinquante et soixante.

En 1950, Maderna commence une carrière internationale de chef d’orchestre à Paris et à Munich, carrière qui se poursuit ensuite à travers toute l’Europe. En 1955 il fonde avec Luciano Berio le Studio di Fonologia de la Radio de Milan et les Incontri musicali, séries de concerts essentielles pour la diffusion de la musique contemporaine en Italie. En 1957-1958, sur invitation de Giorgio Federico Ghedini, il enseigne la technique dodécaphonique au Conservatoire de Milan, puis, entre 1960 et 1962, il est nommé chef  d’orchestre et professeur à la Summer School of Music du Darlington College de Devon en Grande Bretagne.

Malgré son importante activité de chef d’orchestre, caractérisée par le syncrétisme de ses choix artistiques associant la musique ancienne à la musique classique ou romantique ou bien moderne et contemporaine, Maderna ne cessera de composer. De 1961 à 1966, Bruno Maderna et Pierre Boulez furent les directeurs principaux de l’Internationales Kranichsteiner Kammerensemble de Darmstadt. Durant les années soixante, il dirige très souvent aux Pays Bas, et devient en 1967 professeur au Conservatoire de Rotterdam. Il assure également des cours de direction et de composition au Mozarteum de Salzbourg (1967-1970) et à Darmstadt (1969). Parmi ses élèves, on peut mentionner, entre autres, Lucas Vis, Yves Prin, Gustav Kuhn.

Pendant les années soixante et soixante-dix, il se rend souvent aux États-Unis pour enseigner la composition et diriger le Juilliard Ensemble, l’Orchestre Symphonique de la BBC, de New York, de Chicago. En 1971-1972 il est nommé directeur du Berkshire Music Center de Tanglewood. En 1972-1973, il devient le chef d’orchestre principal de l’Orchestra Sinfonica de la Rai de Milan. En 1972, avec Ages, une composition pour la radio réalisée en collaboration avec Giorgio Pressburger, il gagne le Prix Italia. Le 13 Novembre 1973, à Darmstadt, Maderna meurt précocement d’un cancer qu’il avait découvert seulement quelques mois auparavant, pendant les répétitions de son Satyricon.