鹿目まどか
行方不明となったマミを探すためにほむらと共に神浜市に向かい、そこで出会った環いろはたちと情報を共有するようになる。さやかの頼みで再び神浜市を訪れた際に、マミが「マギウスの翼」の一員となったことや魔法少女の真実を知り、ショックを受けながらもほむらやさやかと解決策を模索し始める。見滝原市内にてアリナ・グレイによって結界に閉じ込められ、杏子の助力で脱出した後は再び神浜市に向かい、ウワサを剥がされ正気に戻ったマミと合流。ホテル・フェントホープの崩壊後は、マギウスによって神浜市に召喚されたワルプルギスの夜と戦う。
テレビアニメ版では出番が一部省略されている。キレーションランドにてウワサに憑依されたマミと交戦し、最終的にさやかとのコネクトでウワサを剥がしマミの救出に成功する。魔女誘導装置のウワサの撃破後、ワルプルギスの夜を迎撃するために見滝原市に戻る。その後はワルプルギスの夜と戦闘を図るが、その決着については描写されていない。なお、それとは別に円環の理がいろはと共に書物を閉じ、本作品に幕を下ろした。
物語が始まる当初のまどかは、平凡な中学二年生の少女であり、声優の悠木によれば自分に自信がなく自分の個を模索している状態にある。
母親が外で働き父親が主夫を担当するという家庭環境が設定されているが、これはまどかが男女の役割にとらわれない環境で育ち、女性でありながらヒロイズムを自然に受け入れる下地として位置づけられている。当初は遊び心的な発想であったというが、最終的にはまどかと、まどかを支える「強い母親」との関係性は劇中において重要な位置を占め、第11話のハイライトにもなった。まどかは本編に登場する魔法少女の中では他人に依存する傾向のない人物でもあり、声優の悠木碧はまどかが主人公である理由は自ら答えを出せるからだとしている。また、唯一家族との描写がある魔法少女であることからもあり、他人からの愛され方を知っているキャラクターだとほむら役の斎藤千和は述べている。
第10話で描かれたほむらが魔法少女になる前の時間軸にて、魔法少女として活躍しているまどかは本編の時間軸と異なり、強気な性格の少女として描かれている。監督の新房や脚本を書いた虚淵によれば、魔法少女となったことでコンプレックスを克服して自信をつけたということであり、まどか役を演じた悠木は、自分を過信して少々調子に乗っていると語っている。
テレビアニメ最終話においてまどかは世界を再構成し、概念的存在と化しており、これはまどかが自分の役割をみつけ、義務を果たしたのだと評されていたが、劇場版[新編]叛逆の物語の公開に際して、新房は「概念と化すことまでは想定していなかったかもしれない」と述べており、概念となったまどかは「悟りを開いているように見えるが、戸惑いもどこかにあるのではないか」と述べている。
イメージカラーおよびソウルジェムの色はピンクで、桃色の髪をリボンで左右2つに結ったデザインをしている。最初の企画会議では、メインヒロインは明るく理想主義の少女として想定されており、脚本の虚淵がキャラクター原案の蒼樹うめに指定したイメージカラーは白であった。虚淵はまどかを書くに当たって蒼樹の作風に寄せたと述べており、蒼樹のキャラクター原案が出来上がるまでは『ひだまりスケッチ』の主人公・ゆのを想定して、キャラクターイメージを膨らませた。イメージカラーの指定は蒼樹がキャラクター原案を起こす段階でその色を忘れ、ピンクへと変わった。
変身時の服はまどか自身が夢を膨らませてデザインしたという設定が反映されており、他の魔法少女のデザインと異なりフリルやリボンをあしらいかわいらしさが強調された白と桃色を基調とした姿となっている。また、テレビアニメでは最終話に1度きりの変身をした後に、白と桜色をベースとした衣装へ変化しており、髪も長くなり、瞳の色は金色に変わっている。この形態は「無限の時空を転戦して超進化を遂げた究極形態」であると説明されており、脚本のト書きでは「ハイパーアルティメットまどか」と呼称されていたが、BD/DVD第6巻初回限定版の特典ブックレットおよび他の商品展開では「アルティメットまどか」と呼称されている。
アニメでまどか役を演じた声優の悠木碧はまどかのテーマについて、マミの死亡する第3話以降に泣かない回はないことから「痛みで人は成長する」と捉えていたとしている。