吴大猷出生于1907年9月29日，祖籍广东省肇庆市高要县水坑乡（今鼎湖区水坑村），吴大猷毕业于南开大学，1931－1933年在美国密歇根大学获得硕士和博士学位。1933－1934年在美国作光谱学、原子和原子核物理学方面的研究，1933年获博士学位。回国后，在北京大学、西南联大任教。1939年获中央研究院丁文江奖金。
1940年，在南开大学吴大猷用英文撰写了第一部专著《多分子的结构及其振动光谱》，受到恩师饶毓泰的器重。这本书阐述了分子物理学的重要理论，在学术界享有很高声誉，成为国际上该领域的经典专著。其后，吴大猷带着杨振宁、李政道等前往美国深造，他的事业也逐渐走向了巅峰。
20世纪世纪60年代初，吴大猷开始从事电离体物理方面的研究，应邀去瑞士洛桑大学讲授气体和等离子体物理学。吴大猷吴大猷在加拿大工作了14年，发表论文50篇。1963年，吴大猷辞掉加拿大国家研究院的职务，到纽约布鲁克林理工学院任物理学教授。吴大猷1965年秋，转到纽约州立大学水牛城分校任物理学和天文学系主任。后来，吴大猷就任中国台湾“中央研究院物理学研究所代所长”，1967年任台湾“科学发展指导委员会主任”和“科学委员会主任”，每年两次回台湾工作5个月。
1983年，吴大猷卖掉在美国的房屋，回台湾全身心致力教育和科学事业。这一年，由蒋经国指定，吴大猷被任命为台北“中央研究院院长”。第二年，吴大猷又出任台湾“中华教育文化基金会董事长”。他主张科学研究与政治分开，加强两岸的学术交流。1998年11月底，由中国科学院安排，吴大猷以92岁高龄从台湾回到祖国内地，到番禺南沙领取霍英东颁发的杰出成就奖。随后回到阔别多年的故乡肇庆，应邀到西江大学作讲座和题字。肇庆市与高要市的领导给他赠送了端砚与画册等礼物。
2000年3月4日，吴大猷因病在台湾逝世，这不仅是中国科学界的损失，也是世界物理学界的重大损失。肇庆市政府送去的挽联是：“誉满四方，魂归故里。”吴大猷被科学界誉为“锕系元素研究的先驱者”、“中国物理学之父”。
吴大猷的祖父吴丹桂乃“粤东时贤第一人”，生于清咸丰五年（1855年），二十一岁应考秀才，名列第一；二十四岁乡试中举；光绪十五年（1889年）殿试中进士，任翰林院庶吉士、散馆授编修、国史馆协修、功臣馆纂修等职；光绪二十七年(1901年)任记名御史。吴丹桂尤喜宋名儒学，慷慨好义，热爱桑梓。
吴桂丹生有四子四女。次子吴国基，是吴大猷父亲，清光绪举人，驻美国使馆随员，后被保奏为直隶州知州，吴远基生有三子九女。吴桂丹早年在肇庆五经里置有房产，在未出仕前，长期在肇庆教书，广育人才，桃李满门。其儿女诸孙，年少时多在肇庆就读，深受文风熏陶。吴氏十八世、十九世孙两代从事教育工作者达十四人之多，其中任校长的有四人。在这种书香环境下，吴大猷与其堂兄弟大业、大任、大立成为著名的“南开四吴”。
20世纪30年代，吴大猷研究了多原子分子光谱，研究了苯及其衍生物的喇曼光谱，发现并证明了苯的同位素移动并对此作了正确的解释。30－40年代，在中国最早进行了原子多重激发态的研究，较早计算了氦原子双激发能态；计算慢中子与原子碰撞的散射截面；提出原子碰撞的理论模型和计算方法；研究了氯化乙烯的同分异构体的红外光谱及分子对称问题；讨论了由分子或电子激发的分子振动、分子振动与转动的交互作用、分子简正振动等问题。
吴大猷吴大猷认为对这三个层面的问题进行研讨，就是科学哲学的任务。吴大猷强调必须由科学本身的“第一手资料”出发进行研究，这才是探索科学哲学的正途。吴大猷还十分重视科学方法论，虽然在他的著作中找不出“方法论”这个词，但他在科学方法上却有许多独到的闪光的思想。