盡管吳健雄在柏克萊取得了令人矚目的成就，然而，最終她還是未能在柏克萊物理係留下來。理由很簡單，那個時候，美國最頂尖的20個研究大學中眾多教席中沒有一個是為女性設置的。在此後的研究生涯中吳健雄不知經曆了多少次這種對女性的歧視。無奈之中，1942年夏，吳健雄應邀來到位於美國東海岸麻州的史密斯學院任教。史密斯學院是一個專收女生的貴族私立學校，雖非名牌大學，卻集中了一批頗有名氣和才華的師生，美國前總統裏根夫人南茜當時就在這所學院學戲劇，曾任複旦大學校長的物理學家謝希德也曾在這裏讀書。然而令吳健雄感到苦惱的是這所學校卻不具備做實驗的條件。在學院呆了一年後，1943年，在美科學界已有相當地位的勞倫斯不忍這位物理天才埋沒在這所不能做實驗的學院裏，便向普林斯頓大學推薦了這位高足。普林斯頓大學的史邁斯教授慧眼識珠，力排眾議，終於使吳健雄成為普林斯頓大學有史以來的第一位女講師。其時，世界大戰正在激烈進行中，同盟國和軸心國都在為贏得這場戰爭而進行原子彈的研究工作，早在吳健雄來到普林斯頓大學的前一年6月，美就已正式啟動了研製原子彈的“曼哈頓工程區域計劃”。（因該計劃總部設在紐約市的曼哈頓而得名），該計劃開始由馬歇爾將軍主持，後經顧伏將軍轉至奧本海默手中。就在吳健雄進入普林斯頓大學的幾個月後，作為原子彈研究重點實驗室之一的哥倫比亞大學兩位物理專家應勞倫斯和奧本海默推薦召吳健雄前來麵談。麵談是在哥大放射學係進行的。當吳健雄走進會談室看到黑板上的內容，對於要談此行的目的心中便有了底。會談進行了一整天，結果令這兩位物理專家很滿意。在會談即將結束時，一位年紀稍長的物理學家問吳健雄：“吳小姐，現在你知不知道我們在這裏做些什麽麽？”吳健雄有禮貌地笑著說：“我很抱歉，但是如果你們不想要我知道你在做什麽的話，你們就應該把黑板上的東西擦掉。”“既然你已經什麽都知道了，何不明天早上就來工作呢？”兩位專家聽了吳健雄的迴答後不禁開懷大笑。就這樣，憑著自己在專業方麵的深厚功底和巨大的潛力。吳健雄以一個外國人的身份於1944年3月進入哥倫比亞大學參加了當時美國最機密的“曼哈頓計劃”。其時美國原子彈計劃雖已進人相當成熟階段，但還有一個關鍵問題有待解決，那就是如何濃縮鈾元素，並使其達到臨界質量。吳健雄所參與工作之一就是濃縮鈾的製造，而她在柏萊頓大學一項重要研究成果即有關鈾原子核分裂後產生的氙氣對中子吸收橫截麵的論文，對於解決原子核連鎖反應中突然出的“反應停止”起了極其重要的作用。經過一番艱苦的努力，製造原子彈的一切工作都已準備就緒。盡管如此，專家們還是忐忑不安，他（她）們擔心試爆試驗會在途中會引發一種預料不到的大爆炸並由此產生一些意想不到的物質。在焦急地等待中，1945年7月16日，人類第一顆原子彈在美國新墨西哥州的一個沙漠裏試爆了，它那驚人的威力，強烈的閃光和巨大的蘑菇雲使得科學家們心花怒放。然而，成功的喜悅尚未消散，三個星期後的便傳來了一個令他們感到無比震驚的消息：他們親手試製的原子彈落到了日本廣島和長崎，造成了數十萬平民的死亡。對於這一慘痛的結果，吳健雄和她的同伴們無不感到痛心。但她（他）們並未因此失去對科學造福人類的信心。她對人說：“你認為人類真的會這樣愚昧的自我毀滅嗎？不，不會的，我對人類有信心，我相信有一天我們都會和平地共處。”
繼原子彈試爆成功後，吳健雄在這一領域繼續展開研究。她選定了原子核β作為自己的主攻課題，並在這一領域取得了令同行們讚歎不已的成就，被譽 衰變專家。她與加州大學洛杉磯分校理論物理學莫茲考斯基合著的《β衰變》被公認為是p衰變的權威著作。羅格斯大學理學院院長庫勒說：“吳健雄的這本書一定要念的，念不通這本書的人最好不要搞物理。”不過，在吳健雄的科學研究史中最為輝煌的篇章莫過於她以精確的實驗推翻了被物理學界認為是鐵律的“宇稱守恆定律”了。
繼原子彈試爆成功後，吳健雄在這一領域繼續展開研究。她選定了原子核β作為自己的主攻課題，並在這一領域取得了令同行們讚歎不已的成就，被譽 衰變專家。她與加州大學洛杉磯分校理論物理學莫茲考斯基合著的《β衰變》被公認為是p衰變的權威著作。羅格斯大學理學院院長庫勒說：“吳健雄的這本書一定要念的，念不通這本書的人最好不要搞物理。”不過，在吳健雄的科學研究史中最為輝煌的篇章莫過於她以精確的實驗推翻了被物理學界認為是鐵律的“宇稱守恆定律”了。