北京奥运会上于郭晶晶共同获得双人3米跳板金牌并在单人3米跳板中获得铜牌。2012年，吴在伦敦奥运与何姿合作夺得女子3米跳板双人项目的金牌，在单人3米跳板项目中她首次夺得金牌，这也是她在个人跳水项目的首面奥运金牌。2016年，吴敏霞在里约奥运上与施廷懋组合再战女子双人3米板，蝉联冠军，为中国队取得此届奥运会第二枚金牌。至此，吴敏霞成为世界跳水历史上获得最多奥运金牌的运动员及最多奥运奖牌的女子运动员，奥运史上首位在任何跳水项目中夺得四枚金牌（且为四连冠）的运动员，及在最多届（四届）奥运会中获得奖牌的跳水