6年获医学博士学位。同年进入中比镭锭治疗院（现复旦大学附属肿瘤医院）工作。次年起赴欧洲进修，曾在比利时布鲁塞尔医学院、英国皇家肿瘤医院，伦敦大学等处学习。后曾任伦敦大学附属医院放射肿瘤治疗科副主任。1946年他回到中国，出任中比镭锭治疗院院长。中华人民共和国成立后，吴桓兴继续担任上海镭锭治疗院院长。朝鲜战争期间，他曾赴朝鲜战场。回国后调往中国人民解放军军事医学科学院任职，曾任二所所长、放射生物学系主任。1958年，他主持建立了中国医学科学院肿瘤研究所和医院，并主任所长、院长。文革期间，他被打成“资产阶级