后在建国中学、新竹国立清华大学等学校学习。1970年，刚从大学毕业的吴国祯曾经在金门服兵役。1971年到1976年，在美国学习，1976年自美国俄克拉荷马大学毕业，获得化学博士学位。在美国期间，他积极参加“保卫钓鱼台运动”。1975年，吴国祯曾经从美国经欧洲独自来到北京，因此被台湾当局列入黑名单。1977年，他来到中国大陆，定居北京，历任中国科学院化学研究所副研究员、研究员，中国物理学会光散射委员会副主任委员等职务。1995年，转任清华大学物理系教授。他还历任台湾同学会会长、中华全国台湾同胞联谊会副会长等职