受家庭影响，吴海燕从五岁就开始学唱京戏，就读于上海戏剧学院小小班。不久，父亲又把她送到福建省戏剧学校学戏，苦度了六个春秋。在学期间，她文武两个方面受到严格的基本功训练。
1965年，从戏校毕业，成为全国年龄最小的中专毕业生，因成绩优秀被留在福建省京剧团。
“文化大革命”中，因父亲被错划成党内的走资派，14岁的吴海燕一下子从高干的女儿变成了黑帮子女，被分到偏僻的农村劳动改造。艰苦的环境反而使吴海燕对京剧艺术逾加痴迷，她在劳作之余，成天醉心于体验和扮演各种女性角色，从名门闺女、江湖侠女、小家碧玉到龙钟老媪，都作过尝试。曾参加演出京剧《红色少年》。
70年代初，吴海燕曾在省军区文工团工作，参加京剧《龙江颂》、《红灯记》、《智取威虎山》、《奇袭白虎团》中各类女英雄的演出。
1974年，在北影厂影片《海霞》中扮演女主角海霞。
1975年，回到福建省京剧团。不久，参加了京剧《红灯照》等两部古装戏的演出。
1978年，调到上海电影制片厂演员剧团。进上影后，参加拍摄的第一部影片是《绿海天涯》。
1979年，出演电影《等到满山红叶时》；同年底，应埃及电影作家、评论家协会主席姆拉赫的邀请，赴埃及参加了第五届开罗国际电影节。
1980年，主演影片《白莲花》
1981年，出演《检查官》。
进入九十年代，吴海燕仍活跃在银屏上，不断参与作品的拍摄，如《伴飞》、《卖大饼的姑娘》、《浣纱女的传说》、《你好，太平洋》等。
1975年《海霞》饰演海霞
1979年《绿海天涯》
1980年《白莲花》饰演白莲花
1980年《等到满山红叶时》饰演杨英
1981年《检察官》
1981年《卖大饼的姑娘》
1983年《水镇丝情》
1983年《中国的电影》
1983年《水镇情丝》
1983年《还乡》
1985年《特区姑娘》饰演陈颖
1986年《加州来客》
1987年《同龄女友》
1988年《笑出来的眼泪》饰演白莉
1990年《你好！太平洋》
1990年《你好，太平洋》
1990年《面目全非》
2013年《我的影子在奔跑》
2014年《毕业那年：分手季》
1988年《聊斋》饰演贾夫人（《贾奉雉》单元）
1990年《杨贵妃之谜》
2005年《凤凰大视野-非常电影》
2010年《国母宋庆龄》
2016年《无敌极光侠》
2016年《海棠依旧》
2017年《乌龙院之活宝传奇 第一季》
