由于在β衰变研究领域具有世界性的贡献，她被誉为“东方居里夫人”、“核物理女王”、“物理学第一夫人”。吴健雄是美国物理学会APS历史上第一位女性会长，也曾参与过曼哈顿计划，是世界最杰出的实验物理学家之一。1990年，中国科学院紫金山天文台将国际编号为2752号的小行星命名为“吴健雄星”，1994年吴健雄当选为中国科学院首批外籍院士。
吴健雄主要学术工作是用β衰变实验证明了在弱相互作用中的宇称不守恒，即用实验证明了核β衰变在矢量流守恒定律，结合μ子、介子和反质子物理方面的实验研究，从而验证“弱相互作用下的宇称不守恒”。该成果奠定了吴健雄作为世界一流实验物理学家的地位。
1956年之前，吴健雄已因在β衰变方面所作过的细致精密又多种多样的实验工作而为核物理学界所熟知，同年李政道、杨振宁提出在β衰变过程中宇称可能不守恒之后，吴健雄立即领导她的小组进行了一个实验，在极低温条件下用强磁场把钴-60原子核自旋方向极化，而观察钴-60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钴-60原子核的自旋方向相反。这个实验结果证实了弱相互作用中的对称不守恒，在整个物理学界产生了极为深远的影响。
1957年1月15日，吴健雄的实验多次证实了杨振宁、李政道的设想，她将实验报告整理成论文，寄到了《物理评论》。同日，哥伦比亚大学为这项新的发现史无前例地举行了一场记者会。第二天，《纽约时报》以头版报道了吴健雄实验的结果。消息传出后，世界各地的科学家，都奔往吴健雄所在的实验室。吴健雄也接到无数大学和实验机构的邀请，要她去讲述她的实验结果。但由于某些原因，吴健雄未能与杨李二人共同获得1957年的诺贝尔奖。很多人为她感到不公，但她本人从未作出任何回应。只是在给1988年诺贝尔奖得主史坦伯格的祝贺信上写道：“尽管我从来没有为了得奖而去做研究工作，但是，当我的工作因为某种原因而被人忽视，依然是深深地伤害了我。
1958年，她晋升哥伦比亚大学正教授，同时获选为普林斯顿大学创校百年来第一位女荣誉博士，同一年被列入《美国科学名人录》。
1972年起提任普林斯顿大学物理学教授直到1980年退休。
1975年，获得美国总统福特在白宫授予她的国家科学勋章，这是美国最高科学荣誉，1978年在以色列获得沃尔夫奖。
吴健雄在中国公学学习期间，胡适一直给予特别的关注，吴健雄留学美国后，胡适对她仍经常关心指导。胡适常常以有这样的学生而自豪。吴健雄对胡适的教导也终生不忘。
1985年，她应邀回祖国参加母校南京大学校庆纪念，对青年后生谈治学经验时，特别说到胡适先生对她的教导和关心，一直成为她后来积极进取的动力。
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