1917年12月25日，出生于浙江省浦江县前吴村。他幼年丧父，由母亲和兄、姐抚养成人。
1926年，就读于浦江县浦阳小学，1929年毕业后赴杭州入浙江省立第一中学初中学习，1932年考入浙江省立杭州高级中学。
1935年，中学毕业后，考入北洋工学院，先读矿冶，后转学航空机械。
1937年，抗日战争爆发，北洋大学内迁陕西省城固县，与焦作工学院合并为西北工学院，吴自良随迁。
1939年，大学毕业后，被分配到云南垒允中央飞机制造厂设计科任设计员。
1942年，由于工厂遭日机轰炸后解散，撤退到昆明，他任中央机器厂副工程师。
1943年，在大姐的资助下，自费赴美留学，在美国匹兹堡卡内基理工学院（今卡内基·梅隆大学）冶金系读研究生，师从物理冶金学家C.S巴瑞特（C.S Barrett）教授和物理学家R.斯莫洛柯夫斯基（R.Smoluchowshi）教授。留学期间，他悉心钻研物理冶金学，1948年（民国三十七年），完成题为《片状铝单晶中滑移机制和内耗的关系》的学位论文，获理学博士学位，毕业后留在卡内基理工学院金属研究所作博士后研究。
1949年，应聘到锡腊丘斯大学材料系任副研究员，主持“软钢中阻尼和疲劳”的研究。
1950年春，被选为美国科学促进会会员。
1950年年底，中华人民共和国成立后，取道香港回国，任北方交通大学唐山工学院（唐山交通大学，现西南交通大学）冶金系教授。
1951年夏，应聘为中国科学院工学实验馆（原中国科学院上海冶金研究所，今中国科学院上海微系统与信息技术研究所 [2]）研究员，负责物理冶金方面的科研工作，先后担任物理冶金研究室主任、副所长、学术委员会主任等职。
1952年，机械工业部向冶金所提出苏联汽车钢40X代用品的研究项目。
1954年，领导完成了中央军委下达的抗美援朝前方需要的特种电阻丝研制任务，获得奖励。
1956年，完成的苏联低合金钢40X 的代用品的研制，获国家自然科学奖三等奖。
60年代，上海冶金所与原子能所、复旦大学等单位的科研人员组成第十研究室联合攻关，吴自良兼任该室主任，主持研制分离铀同位素的核心部件甲种分离膜，于1964年试制成功并投入使用。
1961年底，国家将甲种分离膜研制任务下达给中国科学院和上海市，为加快进度，集中组织有关专家和科技人员到上海冶金研究所协作攻关，要求吴自良担任这个重大项目的技术总负责人。
70年代，提出和指导了大规模合成电路用硅材料品质因素的研究，取得了多项成果。
1980年，被选为中国科学院学部委员（1993年改称院士）。 [1]
1984年，获国家发明奖一等奖和国家科技进步特等奖。
1988年，吴自良参加了高温超导的研究工作。
1997年，获得何梁何利基金科学与技术进步奖。
1999年9月，在庆祝中华人民共和国成立50周年之际，被中共中央、国务院、中央军委授予“两弹一星”功勋奖章。 [3]
2008年，被中科院研究生院授予“杰出贡献教师”荣誉称号。
2008年5月24日19时45分在上海去世，享年91岁。
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