Tras el informe del año 1990 de Conservation International que reconocía en la región de Madidi el bosque húmedo más diverso de Bolivia, el Gobierno de este país andino contrató, en 1992, a un equipo de expertos para que establecieran las fronteras de un futuro parque nacional que se declaró oficialmente como tal el 21 de setiembre de 1995. Con una superficie de 18.957 km2 —más del doble de la Comunidad Autónoma de Madrid— se localiza al noroeste de Bolivia, al norte del departamento de La Paz en las provincias Abel Iturralde, Franz Tamayo y Bautista Saavedra, entre los 13º 20' - 14º00' de latitud S y 68º10' - 69º10' de longitud W. Limita al oeste con la frontera de Perú y se extiende, hacia el este, por las estribaciones de la cordillera de los Andes, adentrándose en la región amazónica.

Su pluviosidad es variable, desde unos 700 mm en las partes más secas a los casi 5000 en las más húmedas, y especialmente pronunciada cerca de la localidad de Apolo, en la parte sur del parque. Su topografía es también desigual desde los 800 a los 2000 m que alcanzan las crestas de los Andes en esta zona, a 300 m en que se sitúan los valles. Desde el punto de vista geológico, las crestas son anticlinales compuestos principalmente por areniscas del Ordovicico, Devónico, Carbonífero y Cretácico y los valles son sinclinales con sedimentos terciarios, rocas y conglomerados. La región andina del parque está surcada por multitud de ríos que nacen en las estribaciones de la cordillera y recorren el área con una dirección, por lo general, oeste-este. Los ríos Madidi y Tuichi, afluentes del Beni, son los más caudalosos.

En el parque viven dos comunidades indígenas: los tacana que, originarios del norte de Bolivia, habitan sobre todo en áreas del bosque montano de la zona Ixiamas y Tumupasa y en el pie de monte de la Serranía de Tutumo y los quechua, un grupo ampliamente disperso por la cuenca amazónica, que viven en las riberas del río Tuichi y cerca de Apolo. Algunas comunidades araona, originarios como los tacana de la región del Pando y Beni, se localizan en los bosques lluviosos de tierras bajas, en el centro del parque, en las orillas del Madidi.

El futuro desarrollo de esta zona camina por la exploración primero y posterior explotación del petróleo y sus derivados, por la construcción de una presa hidroeléctrica en el río Beni que, de llevarse a cabo, anegaría una parte del sudeste del parque y por el fomento del ecoturismo.