师从理论物理学家史蒂芬·霍金学习理论物理学，主要研究极早期宇宙，1984年获剑桥大学博士学位，博士论文题目为《宇宙模型和暴涨宇宙》（Cosmological models and the inflationary universe）。吴忠超关于时空的维度问题的论文获1985年论文比赛的第三名。1998年，吴忠超给出量子宇宙学中太初黑洞量子创生的最一般结果，2001年又利用超引力量子宇宙学，首次证明了可观察时空的四维性。2002年，吴忠超在浙江工业大学创建天体物理研究所，并执教至今。