美籍華裔物理學傢。生於江蘇上海（今上海市），卒於美國。1934年畢業於南京中央大學。1936年入美國加利福尼亞大學，1940年獲博士學位。1942年與袁傢騮在美國結婚。1952年任哥倫比亞大學副教授，1958年升為教授，同年當選為美國國傢科學院院士。1972年起擔任普賓講座教授，直到1980年退休。1975年曾任美國物理學會第一任女性會長。
吳健雄物理學上的主要貢獻是，1957年用β衰變實驗證明瞭在弱相互作用中的宇稱不守恒。1956年之前，吳健雄已因在β衰變方面所作過的細致精密又多種多樣的實驗工作而為核物理學界所熟知。1956年李政道、楊振寧提出在β衰變過程中宇稱可能不守恒之後，吳健雄立即領導她的小組進行瞭一個實驗，在極低溫(0.01K)下用強磁場把鈷−60原子核自旋方向極化（即使自旋幾乎都在同一方向），而觀察鈷−60原子核β衰變放出的電子的出射方向。他們發現絕大多數電子的出射方向都和鈷−60原子核的自旋方向相反。就是說，鈷−60原子核的自旋方向和它的β衰變的電子出射方向形成左手螺旋，而不形成右手螺旋。但如果宇稱守恒，則必須左右對稱，左右手螺旋兩種情況機會相等。因此，這個實驗結果證實瞭弱相互作用中的宇稱不守恒。由此，在整個物理學界產生瞭極為深遠的影響。吳健雄對β衰變的一系列實驗工作，特別是1963年證明的核β衰變中矢量流守恒定律，是物理學史上第一次由實驗證實電磁相互作用與弱相互作用有密切關系，對後來電弱統一理論的提出起瞭重要作用。
吳健雄對粒子或輻射探測器的研制有不少貢獻。為瞭增加μ−子原子的X射線的探測效率和能量分辨率，她在1964年就制造瞭中型Ge(Li)探測器，詳盡地研究μ−原子的X射線譜，由此對原子核的各種性質作瞭極為精密的測定和解釋。後來，X射線譜的范圍又擴大到所有的“強子原子”，即所謂奇特原子。對強子的性質，如K−、p和∑−，也作瞭精密的測定。
在1959年穆斯堡爾效應發現之後，吳健雄就對它有深入的研究，其最重要的貢獻為利用穆斯堡爾光譜法於生物學中大分子的結構的研究。
為瞭證實輕子數（見輕子）在弱作用中守恒律的有效性，吳健雄等在深達600多米深的純鹽礦井中安置瞭測量雙β衰變儀器，測得“無中微子的雙β衰變”的壽命為10−21年的數量級，即說明輕子數是守恒到10−3以上。
在1950年以前，吳健雄已經做瞭一個關於量子力學的基本哲學的實驗，稱為愛因斯坦–波多爾斯基–羅森實驗或矛盾，結果證明瞭正電子與負電子的宇稱相反，說明與量子力學並無矛盾。1970年她的實驗組對此作瞭進一步實驗，在更高程度上支持量子力學的正統法則，再次否定隱變量理論。
吳健雄以其為數眾多的貢獻贏得瞭崇高的榮譽。1958年普林斯頓大學授予她名譽科學博士稱號。這是該大學首次把這個榮譽學位授予一位女性。她還獲得其他15所大學的名譽學位。美國總統授予她1975年國傢科學勛章。1978年她獲得國際性的沃爾夫基金會首次頒發的獎金。吳健雄受聘為南京大學、北京大學、中國科學技術大學等校的名譽教授，中國科學院高能物理研究所學術委員會委員。
吳健雄發表過100餘篇科學論文，與袁傢騮合編瞭《實驗物理學方法·原子核物理學》(1961)；與S.A.莫斯科夫斯基合寫瞭《β衰變》(1965)。