L'université se situe à Madison, à deux kilomètres du Capitole, et se trouve en partie sur un isthme entre deux lacs, le lac Mendota et le lac Monona. Le campus principal a une taille de 3.77 km². Si on ajoute les divers centres de recherche, la superficie totale atteint 42,9 km². De nombreux bâtiments du campus ont été conçus par les architectes J.T.W. Jennings et Arthur Peabody. Le centre névralgique du campus est Memorial Union. Le campus a sa propre unité de police, des restaurants universitaires, un hôpital, des centres de loisirs, et un Arboretum.
Le Campus a servi de décor pour deux films: Back to School en 1986 avec Rodney Dangerfield, ainsi qu'en 2006 dans le film The Last Kiss, avec Zach Braff.
Considéré comme un bâtiment symbole de l'université, Bascom Hall, situé au sommet de la colline de Bascom Hill, est souvent considéré comme le « cœur du campus ». Construit en 1857, il fut maintes fois rénové, même si le dôme qui le couvrait ne fut pas reconstruit après un feu qui le détruit. Le bâtiment abrite la direction de l'université, notamment les bureaux du chancelier et de ses adjoints. Bascom Hall est inscrit au registre national des monuments historiques.
La bâtiment, de style victorien, a été construit en 1878. Il prit d'abord le nom de Assembly Hall et comportait un auditorium de 800 places, une bibliothèque, et une tour avec une horloge. Inauguré le 2 mars 1880, il servait à l'origine de centre de convention, de salle de bal, de lieu pour la remise des diplômes ainsi que de bibliothèque. Après le déménagement de cette dernière en 1900 dans différents lieux du campus, le bâtiment fut en partie affecté à l'école de musique. Après quelques travaux, il prit son nom actuel de Music Hall en 1910, et accueille toujours aujourd'hui d'importants évènements ainsi que les opéras de l'université. Le bâtiment abrite également des salles de cours.
Le bâtiment, situé à proximité de Bascom Hill abrite l' école de management. Cette dernière fut fondée en 1900. Pour faire face au nombre croissant d'élèves de cette école, Grainger Hall a été inaugurée en 1993 grâce aux dons de David W. Grainger, ancien élève ingénieur de l'université. En plus d'une bibliothèque dédiée, il abrite 30 salles de cours. En octobre 2007, 13 anciens élèves ont fait don d'un total de $85 millions pour que l'école garde son nom de "Wisconsin school of business" pour les 20 prochaines années.
Le bâtiment, situé près du Library Mall, est haut de 7 étages. Il abrite les écoles d'histoire, d'art et de musique et on y trouve dans sa cour des expositions des travaux des élèves artistes.
L'université du Wisconsin-Madison héberge deux centres de loisirs étudiants. Le premier, Memorial Union, a été construit en 1928. Memorial Union, aussi appelé the Union ou the Terrace, a la réputation d'être un des plus beaux centres d'activités et de loisirs étudiants sur un campus universitaire. Il est situé aux bords du lac Mendota et c'est un lieu de sorties et de rencontre populaire parmi les étudiants et les habitants de la ville. Son nom est en hommage aux vétérans de guerre américains. On y trouve le "Rathskeller," un pub allemand qui donne sur la Terrasse au bord du lac. On y assiste aussi bien à des débats politiques qu'à des parties de backgammon autour d'un verre de "Rathskeller Ale", une bière brassée sur place. On y trouve aussi des galeries d'art, un cinéma, un théâtre et un atelier d'artisanat. Memorial Union abrite également les locaux de ASM StudentPrint, la seule « entreprise » de l'université à être gérée par les étudiants. Un référendum consultatif a permis aux étudiants de manifester leur approbation d'un projet d'expansion du bâtiment. Cette expansion est en cours de planification.
Union South, est le second centre, situé au sud du campus. Construit dans les années 60 du fait du manque de place à Memorial Union. Il est aujourd'hui fréquenté en grande partie par les étudiants et professeurs des bâtiments de sciences voisins. Il héberge des cours de danse, des projections de film, des concerts et un bowling. Il est prévu de fermer ce centre pour en construire un plus grand et plus écologique.
Située à proximité du cœur de l'université, la centrale (inaugurée dans les années 1950) fonctionne au charbon et produit plus de 50 millions de kilowatt-heures d'électricité par an. le 3 mai 2007, le Sierra Club a déposé plainte contre l'université pour non respect de la réglementation fédérale sur la pollution de l'air. La centrale n'utilise pas de moyens modernes de contrôle de la pollution.
UW-Madison a la 10e plus grande réserve documentaire du pays. Le campus est équipé de plus de 40 bibliothèques, dont la Memorial Library, la plus grande du Wisconsin. En 2004, la totalité des collections représentait plus de 7.3 millions de volumes. De plus, il y a 6,2 millions de microfilms des centaines de milliers de documents gouvernementaux, de cartes, de partitions de musique, de documents audiovisuels. Plus d'un million de volumes sont prêtés chaque année. La Memorial Library est le centre de recherche principal pour les sciences humaines et sociales. il contient plus de 3,5 millions de volumes ainsi qu'une grande collection de magazines, de quotidiens nationaux et étrangers et des collections spéciales, les archives de l'université, une bibliothèque de musique, un musée de l'impression, la collection digitale de l'université. La College Library abrite des collections spécialisées sur les minorités, les femmes, des oeuvres artistiques, des enregistrements musicaux et littéraires, ainsi que des livres de poche et un centre de media équipé de plus de 200 postes informatiques disponible spour les étudiants. La Kurt F. Wendt Libraryest réservée à l'école d'Ingénierie et à celles d'informatique, de Statistiques et de sciences océaniques et atmosphériques. Le catalogue en ligne des bibliothèques de l'université se sonne MadCat Il comprend l'intégralités des ressources détenues par plus de 30 bibliothèques du campus ainsi qu'un certain nombre de ressources Internet.
Le musée de géologie regroupe des pierres, des minéraux et des fossiles du monde entier, ainsi que des fragments de météorite. Parmi les fossiles, on trouve le premier squelette de dinosaure assemblé dans le Wisconsin (un Edmontosaurus), un requin (Squalicorax) et une colonie flottante de crinoïdes (Uintacrinus), issus de la craie crétacée du Kansas, et les restes d'un Mastodonte, découverts dans le Sud-Ouest du Wisconsin en 1897.
le musée d'art, autrefois appelé "Elvehjem Museum of Art", a été rebaptisé "Chazen Museum of Art" en 2005, en remerciement d'un don de $20 millions pour des travaux d'agrandissement.