万历四十七年（1619年）己未科进士，任山东淄川县知县，调历城县。当时，白莲教众数万攻历城，吴阿衡设伏兵败敌，因功获钦锡盔甲及御制“忠”字，不久升湖广道监察御史。吴阿衡因劾魏忠贤，遭到阉党嫉恨，因丁忧去职免祸。守孝期间，协助城防，抵御农民军。任浙江巡按，升山西河东（蒲州）副使。升兵部侍郎，蓟辽总督、保定军务，节制宁远、山海、顺天三处巡抚。崇祯十一年（1638年）秋，清兵破墙子岭、青山口入关，吴阿衡连战五昼夜，兵败被俘，誓死不降，九月二十一日被处决。福王时追谥忠毅。遗骨由友人归葬裕州城南。