L'année suivante, il participe à ses premières compétitions avec les élites et il est retenu aux championnats du monde à Londres, où l'équipe danoise de poursuite (avec Lasse Norman Hansen, Niklas Larsen, Casper von Folsach et Rasmus Christian Quaade) prend la médaille de bronze. La même année, Madsen est champion du Danemark sur route juniors et vice-champion du Danemark du contre-la-montre juniors. Également en 2016, il est sélectionné pour participer aux Jeux olympiques de Rio de Janeiro sur la poursuite par équipes. Avec Lasse Norman Hansen, Rasmus Christian Quaade, Niklas Larsen, Casper von Folsach et Casper Pedersen, il remporte la médaille de bronze olympique.