主要研究方向为肺癌多学科综合治疗的基础与临床，特别着眼于肺癌的综合防治，具体研究方向有：1.肺癌的个体化治疗研究；2.肺癌的转化医学研究；3.肺癌的临床试验研究。

多次应邀在国内外讲学和担任国际会议的主席，获聘国内多家研究机构的名誉所长、顾问或教授。是国际上有影响的肺癌多中心临床试验的主要研究者。吴教授作为主席创建和领导了中国胸部肿瘤协作组（Chinese Thoracic oncology Group, C-TONG）,由中国17家临床试验资质良好的高水平医院组成。目前由C-TONG发起的临床试验研究结果，已经陆续在美国临床肿瘤学会年会(ASCO)、欧洲肿瘤年会(ESMO) 、世界肺癌大会（WCLC）等国际最具影响力的肿瘤大会上报告。

创建了国内首家可应用于临床实践的EGFR检测中心 华南基因检测中心，并与广州市医保局合作实施全国首个肺癌靶向治疗个体化医保项目，成为广东省医疗保障体系改革的标志之一。

在国内外核心期刊上发表学术论文300余篇，被SCI、EI、Mediline收录的学术论文80余篇，其中包括在《新英格兰医学杂志》、《柳叶刀》、《临床肿瘤学》等杂志发表的文章。作为主编、副主编、编委出版了19本著作。是卫生部公布2011年《肺癌诊疗规范》专家组组长。拥有发明专利3项，申请专利6项。获得科学技术奖项9项，其中广东省科学技术奖励一等奖1项、二等奖4项、三等奖1项，重庆市科技进步二等奖1项，校级医疗成果2项。