江苏扬州人。生于江西九江，卒于云南昆明。1933年考入清华大学生物系，1937年毕业，1940～1942年为张景钺的研究生。1938～1946年任西南联合大学助教，1946～1949年任清华大学讲师。1949年任北京市军管会高等教育处副处长。1949年12月任中共中国科学院党组成员兼机关支部书记。1950年1月任中国科学院静生生物调查所整理委员会副主任委员。1950年2月起任中国科学院植物研究所副所长。1955年当选为中国科学院学部委员（院士）。1958～1986年任中国科学院昆明植物研究所所长。1981～1992年任中国科学院学部主席团成员，1980～1984年任中国科学院昆明分院院长，1986～1991年任云南省科协主席。1986年起任中国科学院昆明植物研究所名誉所长。第五、六、七届全国人大代表。先后任中国植物学会副理事长、云南省植物学会理事长、中文版《中国植物志》主编、英文版《中国植物志》（Flora of China）中方主编等。为美国植物学会的终身外籍会员，瑞典皇家植物地理学会的名誉会员，苏联植物学会通讯会员，世界自然保护协会ISCN理事。

吴征镒从事植物学研究70余载，为植物分类、植物区系地理、植被和地植物以及植物资源学研究做出了重大贡献。他的论文《中国植物区系的热带亲缘》（1964），获得1978年全国科学大会奖，该文在充分分析了中国高等植物约3000个属的分布区类型后，提出新的学术观点，即“中国植物区系与东南亚植物，特别是印度支那半岛区系之间，有一个较长的和更相似的历史背景。在北纬20°～40°的中国南部、西南部和印度支那地区，是植物最富于特有古老科、属的地区。这些从第三纪古热带植物区系传下来的成分，可能是东亚植物区系的核心，而这一地区正是这一区系的摇篮，它也许甚至是北美和欧洲植物区系的发源地。”这一见解在他的著作《中国自然地理——植物地理》（1983）一书中得到进一步论证和发挥，明确指出中国植物区系有三大历史成分，即古南大陆、古北大陆和古地中海植物区系，而中国西南部则是这些区系成分发生和发展的关键地区。他通过对中国种子植物已知3300个属的分布格局的研究，创造性地将其划分为15大分布区类型和31个变型。并在进化的背景上，分析了每种分布区类型形成发展的过程和历史的渊源，揭示了中国植物的分布规律及其在世界植物区系中的地位和作用。1996年提出了东亚植物区（Asiatic Floristic Kingdom）作为一个独立植物区的新观点，修改了世界陆地植物分区系统。这是吴征镒对中国植物区系地理学几代人研究工作进行深入分析的基础上，提出了原创性的学术观点，标志着中国植物地理学派的形成。他与有关学者合作提出了被子植物新的八纲分类系统和被子植物“多系-多期-多域”起源的新观点。

吴征镒先后到过除非洲之外的四大洲考察植物区系和资源。组织领导了中国，特别是云南植物资源的调查，提出植物有用物质的形成与植物分布区及形成历史有一定相关性的观点，在寻找植物有用化学成分的实践中具有指导作用。先后发表140多篇学术论文，并主编或编写了20余部学术专著，如《中国植被》、中文版《中国植物志》、英文版《中国植物志》（Flora of China）、《西藏植物志》《云南植物志》《云南植被》和《中国自然地理——植物地理》等，为植物资源保护和开发利用提供了科学依据，发挥了指导作用。

在植物分类研究中，他发表和参与发表的植物新分类群达1700个以上，涉及94科334属，是中国植物分类学家发现和命名植物最多的一位，在国际植物分类学研究领域中产生了重要的影响。

1956年吴征镒向国家提出建立自然保护区的建议受到高度重视，1958年与寿振黄共同向云南省提出建立24个自然保护区的建议，得到云南省采纳并实施。1999年他提出建立野生生物种质资源库的重大建议，中国西南野生生物种质资源库于2009年投入运行。

他先后获国家级一、二等奖8项（其中国家自然科学一等奖2项，国家发明一等奖1项），院省级一、二等奖8项。1995年获何梁何利基金会“科学与技术进步奖”，1996年获求是基金会“杰出科技成就团体奖”，1999年荣获日本花卉绿地博览会纪念协会“COSMOS国际奖”，2001年荣获云南省科学技术突出贡献奖，2003年荣获何梁何利基金科学与技术成就奖，2007年获国家最高科学技术奖。2011年12月10日，国际小行星中心发布第77508号公报，将第175718号小行星永久命名为“吴征镒星”。