中央研究院物理所所长与国家科学委员会主委期间，致力于改善国内研究环境。2004年获选为美国国家科学院外籍院士，是以台湾籍学者身分获选为美国国家科学院外籍院士的第一人。2011年10月，成为国立东华大学第6任校长当选人。11月17日获颁中华民国总统科学奖，为台湾学术界最高荣誉。2014年2月18日，吴茂昆率领研究团队新发现超导材料「铁硒化合物」的超导机制。2018年4月16日，行政院记者会宣布由吴茂昆出任教育部长。4月19日交接上任，在宣佈上任开始，由于被怀疑是因为「卡管」的政治任务而上任