En 1936, elle va aux États-Unis avec une amie, Dong Ruofen (董若芬), une chimiste de Taicang. Wu étudie à l'Université de Californie (Berkeley) sous la direction d'Ernest Lawrence et passe son doctorat en 1940.
Elle épouse Luke Chia-Liu Yuan, physicien également, deux ans après. Ils ont un fils, Vincent (袁緯承), qui deviendra aussi physicien. La famille déménage sur la côte est, où Wu enseigne au Smith College, à l'université de Princeton (1942-1944), puis à l'université Columbia (1944-1980).
À Columbia, elle contribue au Projet Manhattan en développant un processus pour séparer les isotopes d'uranium par diffusion gazeuse, et en développant des compteurs Geiger améliorés. Elle assiste personnellement Lee dans son travail sur les lois de parité (avec Yang), en lui suggérant une méthode de test possible pour la désintégration β en 1956, qui marcha avec un plein succès. Certains considèrent cette contribution comme fondamentale dans la création des lois, mais elle ne partagea pas leur prix Nobel – un fait souvent attribué au sexisme du comité de sélection.
Son livre Beta decay (La Désintégration β), publié en 1965, est encore une référence standard pour les physiciens nucléaires.
Plus tard, elle dirigea des recherches sur les changements de conformation de la molécule d'hémoglobine, responsables de l'anémie falciforme.
Wu a posé des jalons pour l'avancement des femmes en plusieurs occasions. Elle fut notamment :
- la première instructeur femme au Département de physique de l'université de Princeton ;
- la première femme titulaire d'un doctorat honoris causa de Princeton ;
- la première femme président de l'American Physical Society (élue en 1975).
