Siendo todavía catedrático en Salamanca, fue elegido diputado en Cortes en 1862 e inmediatamente después logró la cátedra de Madrid. Su carrera política, sin embargo, se inició en Salamanca a partir de la ocupación de diversos cargos, como el de alcalde segundo en 1842 o vocal de la sección de Agricultura de la Junta Provincial de Agricultura, Industria y Comercio, nombrado por Real Decreto de 14 de diciembre de 1859, además de ser notable personaje de la élite cultural y política de Salamanca, adherido siempre a las filas progresistas desde donde recaló en la Unión Liberal y desde donde ejerció relativa influencia en el núcleo democrático salmantino. Es conocido que se manifestó en contra de la suspensión de Castelar y de que se negó a adherirse a Isabel II en vísperas de la revolución del 68 en un manifiesto de la Universidad de Madrid. Su vida política en Madrid se inició siendo diputado por elección parcial el 9 de febrero de 1862 de la legislatura 1861-1863 hasta agosto de 1863. Volvió a ocupar un escaño entre noviembre y diciembre de 1863, fecha en la que renunció a su acta, y finalmente fue de nuevo diputado, siempre por Salamanca, en las Cortes Constituyentes inauguradas el 12 de febrero de 1869, hasta el 2 de enero de 1871, tiempo en el que ocupó, desde 1870, la segunda vicepresidencia de la Cámara. Como miembro del Congreso su intervención más destacada fue la que dedicó a defender el matrimonio civil. Tras dejar de ser diputado fue Consejero de Estado, desde el 7 de marzo de 1871 y senador desde abril de ese año, ocupando así mismo la vicepresidencia de esta Cámara. En este tiempo fue nombrado Ministro de Fomento en el breve periodo que abarca desde el 24 de julio hasta el 5 de octubre del citado año bajo la presidencia de Manuel Ruiz Zorrilla. Así mismo, fue elegido miembro de la Asamblea en 1873, una vez que se acordó convocar Cortes Constituyentes unicamerales.

Además de estos cargos, ocupó el de Director General de Instrucción Pública desde el 10 de octubre de 1868, vocal presidente de la Comisión encargada de elaborar la Ley de Aguas, en enero de 1874 y en junio se le nombró miembro del Consejo de Instrucción Pública. A Madrazo se le atribuye la redacción del Decreto de Libertad de Enseñanza de 1868 siendo Director General de Instrucción Pública a las órdenes del ministro Ruiz Zorrilla. Fue así mismo miembro de la Comisión Legislativa –sustituta de la Comisión de Codificación en el Sexenio–, creada el 2 de octubre de 1869.

Inmediatamente después de instalarse en Madrid intervino en el Ateneo como individuo de la Asociación para la reforma de aranceles de aduanas y dos años después fue elegido miembro de la Academia de Ciencias Morales y Políticas el 12 de abril de 1864 y para cuyo ingreso pronunció el discurso titulado “Relaciones de la Economía política con la Moral y el Derecho”, que fue contestado por Colmeiro quien le brindó no pocos elogios. Para la Academia también disertó en forma de memoria con la obra “De la gracia de indulto”. Fue también individuo del número de la Comisión de Gobierno interior y de Hacienda de la propia Academia desde mayo de 1874 a mayo de 1877.

Por Decreto de 12 de julio de 1872 le fue concedida la Gran Cruz de la Orden Civil de Mª Victoria por el “caso 3º del art. 6º del Reglamento de 18 de julio de 1871”, es decir, “por ser catedrático de número de la enseñanza oficial por oposición y con quince años de antigüedad, sin nota desfavorable de ningún género, habiendo publicado alguna obra de reconocido mérito”.

La faceta de Madrazo como docente de la especialidad de Economía Política y autor de manuales se cristaliza en su conocida obra “Lecciones de Economía política”, publicada en tres volúmenes entre 1874 y 1876 y como prologuista al reeditado “Tratado didáctico de Economía Política” de Mariano Carreras, catedrático de Economía Política y Derecho Mercantil en el Instituto de San Isidro. Uno y otro pertenecían a la llamada Escuela Economista española, así designada ya por Benigno Carballo en 1855. Madrazo fue miembro reconocido, como atestiguan sus contemporáneos y los estudiosos de este grupo que contribuyó a difundir la doctrina liberal en diferentes medios como fueron las cátedras o los círculos culturales tales como el Ateneo de Madrid, la Sociedad Libre de Economía Política, la Academia de Ciencias Morales y Políticas, el Congreso de Jurisconsultos o la Asociación para la reforma de los aranceles de aduanas. De entre los primeros cabría destacar la coincidencia en caracterizar a Madrazo como hombre erudito, docente prestigioso, estudioso y con una actuación digna y discreta en su vida pública en cierta medida a la sombra de Ruiz Zorrilla. Los especialistas actuales opinan, por ejemplo, que sus “Lecciones” son “algo más que una exposición ecléctica de las ideas predominantes en aquella época”.