吴宪1893年11月24日生于福建省侯官县，家中兄妹三人排行第二。他幼年住在外祖母家，六岁回家开始入读私塾，中过秀才并参加过1904年的科举考试。1906年他入读全闽高等学堂（今福州第一中学）预科班，4年后通过清政府组织的庚款留美考试，1911年春入读清华学堂留美预备班,当年8月由上海乘船赴美留学，9月4日抵达美国旧金山，入读麻省理工学院。受到早年在全闽高等学堂学习的影响，吴宪原本打算学习造船，但受到赫胥黎《生命的物质基础》一文的影响，他的兴趣开始转向生物学。1913年9月，他改为主修化学，副修生物学。