1912年5月31日，吴健雄出生在上海，是父母的第二个孩子。她这一辈行“健”字，父亲吴仲裔按“英雄豪杰”四个字给孩子起名，因此她得名“健雄”。她的父亲吴仲裔先生，思想开明，有见解、有胆识，对唯一的女儿吴健雄十分喜爱，给她起了个乳名叫做“薇薇”。吴仲裔毕生致力于传播新思想、创办新式学堂，在家乡浏河镇创办了明德学校。吴健雄幼年时，吴仲裔看出女儿沉静好学、资质不凡，便有意培养她对科学的兴趣，经常把《申报》上的科学趣闻念给她听。吴健雄童年时，对父亲组装的一台矿石收音机十分着迷。6岁时，她开始进入父亲创办的明德学校上学。
吴仲裔鼓励女子求学，当时乡民们多不愿意送女儿去读书，宁愿她们留在家里照顾弟弟。吴仲裔知道了，便带着幼小的吴健雄，到有到了入学年龄的女孩家中去，挨家挨户地劝说父母们送女儿去明德学校上学，并免除了学杂费。父亲对吴健雄产生了很深的影响，不仅为她打开了科学的大门，更教会了她许多为人处世的道理。
1923年，11岁的吴健雄随家人离开了浏河镇，来到了苏州，考入苏州第二女子师范学校。中学时期，吴健雄有幸聆听了胡适先生的演讲“摩登的妇女”，胡适先生鼓励女性在思想上走出旧传统，令她大受鼓舞。1929年，吴健雄以最佳的成绩从女子师范学校毕业，保送到了南京的中央大学。当时规定师范的学生毕业后要教书一年才可进入大学，但由于规定并不十分严格，吴健雄这一年并没有去教书，而是在父亲的鼓励下去了位于上海的我国第一所私立大学——中国公学。在中国公学读书期间，她不仅在最有兴趣的数学、物理等科学课程上依旧名列前茅，文史类课程也总是考满分。1930年，结束了在中国公学一年的学习生涯后，吴健雄进入了中央大学物理系。
当吴健雄开始她的大学生涯之时，近代物理科学在欧洲正进行着前所未有的革命性发展。19世纪末期，伦琴、居里夫妇、汤姆逊、卢瑟福等一些科学家的先驱性实验工作，为即将到来的20世纪物理科学观念性革命奠定了坚实的基础。20世纪伊始，德国理论物理学家普朗克提出了“黑体辐射”的问题，后来经爱因斯坦进一步讨论，发展出量子的观念，加上爱因斯坦后来发表的相对论，和20世纪20年代逐渐成形的量子力学理论，使得物理学展开了一页全新的视野，达到了一个空前辉煌的高峰。
对于这些科学进展，18岁的吴健雄虽并不全部了解，但也略知一二。尤其是她曾经读过居里夫人的故事，对这位女科学家无限崇敬，把居里夫人作为自己的典范。而她没有想到的是，不到20年后，自己会因为在原子核物理方面杰出的实验工作，而被誉为“东方居里夫人”，甚至有些学者认为，吴健雄在科学上的贡献，比居里夫人还要大。
认识吴健雄的朋友都说，吴健雄的聪慧天资是无与伦比的，但更难得的是年轻的她毫无恃才傲物、飞扬浮躁等年轻人常见的毛病。吴健雄求学的态度极其认真严肃，她在中大的同学都记得她如何因为一个问题想不通，独坐思索到深夜，得不到答案绝不休息。吴健雄不爱参加娱乐活动，只是偶尔会与同学们一起出游，其余时间，她连假期也留校学习。不过，她并不是离群索居、不与他人来往。由于吴健雄才貌出众、淳朴大方、学业优异，因此很得学校里其他女同学的喜欢，女孩子们都乐于与吴健雄结识、交朋友，而吴健雄也一向乐于结交朋友，她在中大收获了许多珍贵的友谊，有的甚至延续到了她的晚年。
另一方面，吴健雄也并未忘记她对身处环境的责任。在她进入中大一年后，“九一八事变”爆发，第二年又爆发了日军登陆淞沪的“一二八事变”。当时的中央大学，由于位于首都南京，更是学潮汹涌，学生在校积极参加请愿。在这一方面，吴健雄并不是一个激烈分子，但是由于她的父亲一向支持革命，再加上她成绩优秀不会被退学，因此被同学们推举为带头人。但她总是采取低姿态的办法，领着队伍避开外交部和报馆游行，时间还总是选择在放假前，她说，同学们回家心切，无心恋战，活动也不会持续太久。
在这样动荡的大时代冲击下，吴健雄益发认识到只有长远地培养自己的力量，未来才能有走出困境的实力，因此在偶尔参加情愿游行之余，她还是专注于对物理科学方面的学习。她的这种想法，也是当时对她有着极大影响的多数年长知识分子们相当普遍的一种想法。
1934年，吴健雄大学毕业了，她还跟着施士元作了毕业论文，毕业成绩出类拔萃。此后，她先是到浙江大学物理系当了一年助教。当时物理系的系主任张绍中很欣赏吴健雄的才华，问她要不要去中央研究院物理所工作。吴健雄知道物理所有极好的科研条件，于是欣然同意了。刚进物理所，吴健雄的指导老师是一位女教授顾静薇。她们的实验室分成两间，大的是暗室，小的是讨论室，这两位有雄心的女性，都想窥探原子内部的奥秘，她们计划在低温下测定某种气体的光谱，因此花了许多工夫进行仪器装置、气体净化和高真空获得的工作，废寝忘食地埋首于暗室中。也就是在那时，吴健雄下定决心要出国念书，于是努力自学英语。
1936年7月，吴健雄得到了叔叔赠予她的出国经费，与同乡董若芬一起登上了开往美国的“胡佛总统号”轮船，远赴美国密西根大学。8月，轮船到达美国旧金山，吴健雄本只打算在旧金山停留一个礼拜，因为想起她有一位同窗女友在加州大学伯克利分校，便打算去探望她。当时，伯克利分校的中国学生会会长安排了一位中国男生带吴健雄参观物理系，这位男生就是后来吴健雄的丈夫袁家骝。伯克利分校最吸引吴健雄的，莫过于由著名物理学家劳伦斯建立的放射性实验室，这里有一台37英寸的回旋加速器，可以用于加速带电粒子，撞击不同的原子核，进行当时最热门的原子核实验。
在伯克利期间，吴健雄听说密西根大学对女学生非常歧视：当时密西根大学的学生俱乐部是由学生们募捐建成的，许多女生也付出了很多努力，但建成之后，却不允许女生由正门进出，只能走侧门。这令吴健雄大感意外，于是她放弃了去密西根大学的打算，决定留在伯克利分校的物理系。她请求袁家骝带她去见物理系的系主任柏基，柏基是个十分挑剔，而且对外国学生、女学生很不友好的人，但吴健雄超凡的物理才能还是令他刮目相看。于是，虽然当时招生季已经过去，柏基还是破例接收吴健雄进入了伯克利的物理研究所就读。
吴健雄在第一学年结束时的成绩名列前茅。同时，作为学校为数不多的中国女生，吴健雄气质高雅，个性开朗率真，物理系的男生们都对她十分仰慕，公认她是系花。而吴健雄在女生们中的受欢迎程度更高，女生们都亲昵地叫她“Gee Gee”，是中文“姐姐”的谐音。吴健雄乐于助人，乐于与女生们交流学习与生活上的各种问题，像姐姐一样关心着女生们；她对待朋友十分真诚，甚至不说善意的谎言，对朋友不当的行为也会指出来。当时，她最好的朋友是一位叫玛桂特·路易斯的女孩，两人亲密如手足，甚至还曾互换衣服穿。尽管在学校有很高的人气，吴健雄依然不热衷于社交活动，只有科学研究一直占据着她时间中最主要的部分。
1939年，吴健雄在专攻原子核研究的赛格瑞教授的指导下，开始研究铀原子核分裂的产物。这一系列的实验，大多数是由吴健雄一个人独立完成的，值得一提的是，这其中的一项结果，对后来美国制造原子弹的“曼哈顿计划”提供了关键的帮助。
1940年，吴健雄获得了博士学位。她的博士论文发表在了国际上最重要的期刊《物理评论》上，实验结果在科学上也具有相当重要的意义。此后，她留在伯克利做了两年博士后，研究铀元素的分裂产物和一些元素的放射性同位素。1942年5月30日，吴健雄与相恋多年的袁家骝在位于洛杉矶的加州理工学院举行了婚礼，那恰好是吴健雄30岁生日的前一天。
1942年下半年，吴健雄的博士后研究工作结束，她希望留在伯克利任教，可是当时美国最顶尖的20个研究大学里没有一个学校有女性的物理教席。因此，吴健雄夫妇不得不离开了伯克利，去了美国东海岸。吴健雄到史密斯女子学院教物理。但是她并不感到满意，因为史密斯学院教育经费有限，她无法从事科学研究；同时，离开了伯克利熟悉的环境和亲密的朋友们，也让她感到很寂寞。
为了能时刻紧跟国际物理研究进展的步伐，吴健雄保持着阅读物理期刊和参加物理研究会的习惯。在一次学术会议上，她见到了久别的在伯克利读书时的老师劳伦斯。当得知吴健雄现在的处境和对继续研究的渴望后，劳伦斯替她写了几封推荐信，寄到一些知名大学去。不久后，吴健雄收到了来自普林斯顿、布朗、哈佛、麻省理工、哥伦比亚等八所大学的回信，它们都接受了吴健雄的申请。吴健雄最终选择了普林斯顿大学，成为了该校有史以来第一位女讲师。此后不久，袁家骝也在普林斯顿获得了一份物理研究员的工作，他们在普林斯顿安下了家。
1944年，吴健雄开始到哥伦比亚大学进行战时与发展原子弹相关的研究。1947年2月，她生下了独生子袁纬承。有了孩子的吴健雄，并没有因此停缓工作的脚步。她请了一位尽职的保姆照顾儿子，又回到了哥伦比亚大学继续原子核物理研究。1952年，她升任副教授。由于她和丈夫所持的护照还是“中华民国”护照，而新中国已经成立，使得他们的出入境变得十分困难。为了能方便地出访国外参加世界各地的物理学会议，1954年，吴健雄夫妇入籍美国。
由核分裂到曼哈顿计划
“曼哈顿”计划始于美国，是关于原子弹制造的科学计划，集合了许多当时世界一流的科研精英，吴健雄便是其中之一。曼哈顿计划是当时最高级的国家机密，初加入这一计划中时，吴健雄还不具有美国国籍，但是由于计划的主持人、有“原子弹之父”之称的物理学家奥本海默曾是吴健雄的老师，对这位学生的出众才能十分欣赏，不仅破例让她以外籍科学家的身份加入这个计划，还由她负责这其中相当关键的部分。对于当时刚起步的原子核分裂的研究，吴健雄不仅已经做了许多有深度的研究，还把当时许多新发现进行了综合整理，以至于每次奥本海默开会讨论核分裂与原子弹的相关问题时，都会说：“把吴小姐请来，她知道所有关于中子吸收截面的知识。”
曼哈顿计划不仅是科学上的挑战，更困难的是在工程和技术上的无数挑战，譬如在引爆技术、临界质量等方面的设计和计算，就是极其复杂艰难的工作，这些既需要科学上的知识，也需要工程技术上臻至艺境的配合。1944年，计划参与者之一、物理学家费米在华盛顿州汉福得建立的反应堆开始运作，原子核连锁反应开头进行得一切顺利，但几个小时后反应却停止了。经过研究后发现，这是由于反应产生的放射性气体氙气（Xe135）吸收了大部分中子造成的。吴健雄的老师赛格瑞建议他们去找吴健雄，吴健雄找出自己曾写的一篇关于铀原子核分裂后产生的氙气对中子吸收横截面产生影响的文章提供给了他们，这篇文章中包括了许多宝贵的实验数据。毫无疑问，这些资料对于计划的顺利进展，有相当大的贡献。1945年7月16日，第一颗原子弹试爆成功。
但是，吴健雄本人对于自己参与原子弹制造这件事，心中是有着伤痛的。谈起原子弹的摧毁性，她十分痛心。她曾说：“你以为人类真的会这样愚昧地自我毁灭吗？不会的，我对人类有信心，我相信有一天我们都会和平地相处。”
1945年，二战结束了，吴健雄留在了哥伦比亚大学物理系，开始了对β衰变的研究。β衰变的发现始于1895年伦琴发现X光，法国科学家贝克勒尔通过对X光的研究，在第二年发现了由原子内部发出的三种辐射：带正电的α射线、带负电的β射线、不带电的γ射线。之后，居里夫人对β射线的衰变现象进行了研究。而值得一提的是，在1910~1930年期间，一位奥地利女物理学家迈特纳，对β衰变作出了许多实验方面的研究进展，她可以被称作是继玛丽·居里之后在原子核物理领域做出最重要工作的女科学家。
吴健雄战后的第一个实验，是重做了科学家阿瓦瑞兹的一个实验——有关氢的中子散射实验，阿瓦瑞兹在做这个实验时得到的结果和理论不符。吴健雄利用哥伦比亚大学先进的慢速中子磁谱仪，仔细进行实验，发现原本与理论不合的地方来自实验测量上的一些瑕疵。随后，吴健雄陆续发了几篇论文，都是不同元素的慢中子效应。1949年，吴健雄和一位合作者艾伯特做了一个实验，验证β衰变理论和实验间的歧异。吴健雄想到，这些慢速电子由于对环境敏感，因此放射源本身的厚度和均匀性，一定也会造成影响。她创造性地想出了一个实验方法：在一盆水中加入一滴清洁液类的化学溶剂，这些溶剂会扩散成一个薄膜，再用一个铜环从水中套出一圈薄膜，在薄膜上滴一小滴含放射性铜的溶液，表面张力会使这些放射性铜均匀分布在薄膜上，等溶液干了，便可用来进行实验。她的实验结果与科学家费米的β衰变理论完全吻合，把多年来关于β衰变的争论一下全澄清了。之后，她又陆续发现了几种不同型式的β衰变谱线。到50年代初，还未满40岁的吴健雄，已经成为了β衰变领域最权威的科学家之一。
宇称，简单的说就是空间的左右对称。20世纪，在动量和能量守恒的基础上，物理学家们提出了宇称守恒定律，即：物理定律在最深的层次上，是不分左右的，左边和右边是没有区别的。按照这个定律，在原子内部的世界，一物体及其左右相反的镜像，所发生的作用是相同的。这条定律被奉为物理学界的金科玉律，直到杨振宁、李政道对它提出了质疑。
杨振宁和李政道当时在对“θ~τ之谜”的研究中，把弱相互作用中的宇称守恒和强相互作用中的宇称守恒分开来看待，发现会碰到实验上的困境。于是二人决定从弱相互作用入手检验宇称守恒定律，这涉及到β衰变的研究，二人就去向吴健雄请教。在听完二人的解释及发现弱相互作用下的宇称不守恒，以及推想到宇称是否仅在弱相互作用中不守恒的怀疑，吴健雄对这个问题产生了极大的兴趣，于是和二人仔细讨论起来。吴健雄建议二人用Co60作为β衰变放射源来进行实验。
此后，1956年6月，杨振宁和李政道写了一篇论文《在弱相互作用中宇称是守恒的吗？》，从理论上正式提出对弱相互作用中宇称守恒的质疑，还提出了好几种检验这种想法的实验。之后，吴健雄立即领导她的小组进行了一个实验，在极低温（0.01K）下用强磁场把钴-60原子核自旋方向极化（即使自旋几乎都在同一方向），而观察Co60原子核β衰变放出的电子的出射方向。他们发现绝大多数电子的出射方向都和Co60原子核的自旋方向相反。就是说，Co60原子核的自旋方向和它的β衰变的电子出射方向形成左手螺旋，而不形成右手螺旋。但如果宇称守恒，则必须左右对称，左右手螺旋两种机会相等。因此，这个实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。由于吴健雄的实验验证了杨、李二人理论的正确性，杨振宁、李政道获得了1957年的诺贝尔物理学奖。
此后，吴健雄对β衰变又有了更多研究成果，特别是在1963年证明的核β衰变中矢量流守恒定律，是物理学史上第一次由实验定实电磁相互作用与弱相互作用有密切关系，对后来电弱统一理论的题出起一重要作用。
从60年代中期开始的10年间，吴健雄主要致力于μ子、介子和反质子物理方面的实验研究。她领导完成了Sn，Nd，W等元素的μ子X射线的同位素移的测定、209Biμ子X射线的磁偶极和电四极矩超精细相互作用的研究等工作，还利用布鲁克海文国家实验室内的交变梯度同步加速器产生的强大的K-，Σ-和粒子流，以高分辨率Ge(Li)探测器为工具，用奇异原子方法准确地测定了这些粒子的质量和磁矩。她在国际物理学界的威望越来越大。
1964年10月，麻省理工学院举办了一场会议，名为“女性和科学专业”，吴健雄在发表演讲，引述了1962年的一份报告，这份报告中显示，在当时十个顶尖的公立和私立大学教席中，助教授和副教授中只有10%的女性，而教授中女性仅占5%。而此前不久，她在接受旧金山一家报纸的专访时，更是指出，在美国仅有7%的科学家为女性，而物理学领域，女科学家只占3%，“在美国人们有一种错误的看法，认为女科学家都是邋遢的老处女，这是男人的错。”吴健雄说。更让吴健雄触动极大的一件事，是在1957年，又一次她邀请自己非常崇敬的女物理学家迈特纳到哥伦比亚大学访问，在附近一个有名的餐厅吃饭时，吴健雄关切地询问80高龄的迈特纳是否需要去洗手间时，迈特纳说起自己年轻时在柏林威廉皇帝研究所做研究时，由于那里没有供女性使用的洗手间，她只好尽量少喝水。
作为一位妻子、一位母亲，吴健雄对于传统观念中对女性“贤妻良母”的刻板印象也颇有微词。她认为，白天时间应当由专业的育儿中心把女性们解放出来，让她们去追寻自己的事业。吴健雄经常对她的女学生们说，今后如果有了孩子，一定要找一个好保姆来照顾，千万不要因此放弃了科研工作。除此之外，她认为最重要的因素在于“丈夫是否足够尊重他们太太的意愿，是否足够体贴，是否愿意减轻太太的负担并关心她们”，她认为男人们在生活中应当对父亲的职责承担更多，从而使母亲们更能投入到事业当中去。吴健雄的丈夫袁家骝，对她十分体贴与支持。巧的是，国内的另一位女物理学家、复旦大学校长谢希德女士也深有同感，并在为吴健雄传记所作的序中写道：“袁家骝博士对健雄女士的百般照顾，说明每一个成功的女性，背后都有一个关心体贴的丈夫。”对于社会对她的态度，吴健雄也有着敏锐的感受。有一回她提供资料给哥伦比亚大学公众信息部门所附的信件上说，自己希望被称为吴教授，而不是袁夫人。
1973年，美国物理学会召开年后，宣布吴健雄当选为副会长。按照学会的规定，副会长将在两年后继任会长。1975年，吴健雄正式就任美国物理学会会长。这是物理学界一件了不得的大事，美国科学界一直是一个男性主宰的社群，而美国物理学会成员大多是二战期间美国国防科技发展的主导者，是在美国有巨大影响力的团体，一直由白人男性主导，以前从未出现过非白人会长，更没有出现过女会长。
自从1975年担任会长之后，吴健雄作出了许多科学事务的判断和决策。她曾以物理学会会长身份致信当时的美国总统福特，向他说明基础科学研究的重要性，并要求福特不要因为经济上的压力而削减需要长期稳定支持的科学研究经费。福特后来亲自回信给吴健雄，表示对基础科学研究的支持。吴健雄还曾写信给苏联国家科学技术委员会主席季瑞林，对当时苏联因政治利用干扰一些科学家与美国的科学交流的事件表示关切，并表示愿意助力于此事的解决。许多业内人士称赞吴健雄对于物理学会会长这一职务做到了尽职尽责。
吴健雄在科学上的成就，使她得到了许多赞颂的称号。早在1957年完成对宇称不守恒的验证之后，吴健雄就被誉为“世界最顶尖女性实验物理学家”；后来，她在伯克利时代的老师、诺贝尔物理学奖获得者赛格瑞又称她为“核子物理的女王”；70年代当选物理学会会长后，她更是被称为“物理研究的第一夫人”。在1959年出版的《现代科学中的女性》中，吴健雄与迈特纳作为代表性科学家位列其中，吴健雄在书中被称作“世界上最伟大的女物理学家”。
吴健雄一再公开宣传，应该让更多的女性有机会贡献才智于科研工作，她说科研工作中少了女性“是对潜在才能一种十分可怕的浪费”。在1971年一个名为“物理中的女性”讨论会中，吴健雄说：“有人问如果更多女性投入科学事业中，对社会是否会更有裨益。男人一直主宰着科学和技术领域，可是看看我们现在处身一个多么糟糕的环境！他们已经将我们带到环境毁灭的边缘。”她还说，如果有更多女性投入科学工作，“世界将会是更加快乐和安全的生存之地”。
八、念念不忘故土情
自从1936年赴美求学，吴健雄就再也未曾回到祖国。其间她的双亲先后病逝，她也无法回去见他们最后一面。1971年，冻结了21年的中美关系出现了解冻迹象，国内物理学家任之恭带领学者访问团访美，见到了吴健雄，曾劝她回国看看。于是1973年9月22日，吴健雄、袁家骝夫妇到达了广州，随后回到吴健雄位于浏河镇的老家。
在这次历时53天的大陆之行中，10月15日，吴健雄夫妇与周恩来总理在北京人民大会堂有一次会面。在欢迎宴会上，周恩来向吴健雄表示了歉意，因为她父亲的墓在“文革”中被破坏了。周恩来的一流政治家风采，给吴健雄夫妇留下了深刻地印象，令他们钦佩不已。
此后，吴健雄还曾多次回国，进行学术交流，或者探望多年未见的亲故。在1988年吴健雄父亲吴仲裔的百年寿辰时，吴健雄又一次回到了浏河镇，并捐出自己多年来的部分积蓄，在明德学校成立了吴仲裔基金会，用于给学生提供奖学金、购置图书、承担教师继续进修经费之用。对于国内的科研和教学工作，吴健雄也一向十分支持，并曾于1982年访问复旦大学，与校长谢希德交流中美两国的科学教育经验。
吴健雄堪称进入世界一流物理学家行列的中国女性第一人，她是20世纪华人妇女的杰出代表，吴健雄奋进不息的科学生涯，勇于创新的大师风范，情系桑梓的爱国情怀，给当代的中国科学工作者树立了榜样。1997年2月16日，吴健雄在纽约病逝，终年85岁。遵照本人遗愿，袁家骝亲自护送吴健雄的骨灰回大陆，安葬于苏州太仓浏河。吴健雄的墓地在明德学校紫薇阁旁，墓体设计由贝聿铭任设计顾问。明德学校的科技楼被命名为“吴健雄楼”，袁家骝捐赠25万美元作为基建费。2004年2月，前身曾为吴健雄母校国立中央大学的东南大学，成立吴健雄学院，作为一流科研人才的培养基地，并以此纪念杰出校友吴健雄女士。