1930年，吴健雄进入中央大学数学系。但因为接触了一些有关X光、电子、放射性、相对论等方面的书籍，意外地被伦琴、贝克勒尔、居里夫妇、爱因斯坦等科学巨匠深深吸引住的她，便在第二学年转到了物理学系。
1934年，吴健雄撰写了一篇《证明布喇格定律》的优秀毕业论文后毕业了，并且马上赴美继续深造。在博士在读期间，她参加了制造原子弹的“曼哈顿计划”，解决了连锁反应无法延续的重大难题，被人们称为“原子弹之母”“核物理女皇”“物理科学的第一夫人”。更有人把她比为“东方居里夫人”。而她的导师、1959年的诺贝尔奖得主塞格瑞则评论说：“她的意志力和对工作的投身，使人联想到居里夫人，但她更加入世、优雅和智慧。”
1956年，杨振宁、李政道怀疑“宇称守恒定律”，但因为做这个实验太困难，希望渺茫，没有人肯帮助他们来证实猜想。就在这个时候，几乎绝望的李政道想起了善于精巧地设计实验的吴健雄。早在1948年，李政道就通过吴大猷老师的介绍认识了吴健雄。吴健雄当时正在一步步地纠正以前β衰变实验的错误。她说，要正确地做β衰变实验有两个重要的秘诀。第一，表面一定要很光滑，没有脏东西；第二，对电子要训练得特别好，使电子不能离散。她说，搞理论的人对电子的观念是用薛定谔方程、狄拉克方程表示，而真正做实验的人是像训练猫、狗一样细心爱护和训练电子。电子训练得好，里面没有杂质，那么从它们的行为测出来的数字就告诉你实在的自然界是怎么回事。她的“训练电子”这个观念让李政道感觉很新鲜，而她实验的结果也让他很佩服。
当李政道和杨振宁找到吴健雄时，吴健雄已经和丈夫——同是科学家的袁家骝买好了返回中国大陆的船票，她已经有二十多年没有回过祖国了！但是这项极富挑战意义的实验吸引了她，袁家骝也积极支持她，他退掉了一张船票，只身一人回国。而吴健雄的实验小组成员们却不当一回事地出去度假了。
不管别人如何不看好这个实验，最终，在吴健雄的坚持下，她领导着实验小组成员们，经过一次又一次调整，终于成功地推翻了物理学上屹立不移30年之久的宇称守恒定律，证明了杨振宁和李政道的理论。当1957年1月15日下午，哥伦比亚大学物理系召开新闻发布会，宣布这个消息时，立即在全世界引起轰动，人类对物理世界结构看法的突然解放势不可当。因为他们指正了过去科学家所犯的严重错误，瑞典皇家科学院立即将1957年的诺贝尔物理奖分别颁发给杨振宁和李政道两位博士。
