吴海燕1954年生于上海，父亲是正军级的将领，转业后创建了上海京剧院。吴海燕五岁就在上海戏剧学院小小班学习戏剧，是全校年龄最小的学生。她从事电影表演，可以说是半路出家，被时人称为“上影一枝花”。
1973年，19岁吴海燕被导演钱江选中，出演电影《海霞》中的女主角海霞。固然是第一次拍电影，吴海燕凭仗扎实的京剧功底，胜利描写了意气风发的海霞这一角色，深受观众好评，她也凭仗此剧一夜成名。
从此吴海燕跨入一个崭新的天地。尽管由于第一次拍片，在镜头面前还不够灵活自如，但她那健美硬朗的气质和自然直率的表演风格，却受到广大观众的好评。这也是吴海燕的艺术生涯到了一个转折点。
“文革”后，吴海燕在影片《绿海天涯》中饰演一名为祖国科研事业牺牲在莽莽丛林中的女青年鲁琨。1978年吴海燕进入上海电影制片厂，参与演出了《等到满山红叶时》，扮演一个农村长大的姑娘杨芙。表演中她注重真切细腻，层次分明地展现复杂丰富的感情变化，其中尤以“哥哥”去世一场戏为佳。
1980年，吴海燕接受了影片《白莲花》中扮演主人公白莲花的任务。那时候大家都说吴海燕太清秀，性格与角色有距离，担心她演不出“白莲花”那种绿林女豪杰的英雄气概，吴海燕没有在困难面前退缩，着实下了一番功夫。首先研究剧本，通读了五、六遍，主要理解人物的内心世界，力求神似。
自《白莲花》过后，吴海燕先后出演过《还乡》、《特区姑娘》、《水镇情丝》、《同龄女友》、《加洲来客》、《笑出来的眼泪》、《你好、太平洋》中的不同类型角色。
1981年，吴海燕在《检查官》中扮演一个戏不多的配角，一位致残的舞蹈演员。在表演中她充分体验角色不幸致残的深切痛苦和对舞台生活的眷恋，通过表情准确揭示人物心情。
同时，吴海燕还主演《卖大饼的姑娘》和《浣纱女的传说》(西施)等多部电视剧，都得到成功。前者是上影电视部最早的一部电视剧，吴海燕在剧中扮演一位品质高尚、心地善良的姑娘王英，获得了全国广大观众的好评。
事业胜利的同时，吴海燕也收获了一份美妙的婚姻。丈夫章晓申是著名的京剧演员，与吴海燕是同窗，两人结婚至今恩爱有加，从未有过半点绯闻，如今年过六十的老夫妻还经常到全国各地参与节目，气质不减当年。
吴海燕也是个爱好广泛、多才多艺的演员。除京剧外，她还喜欢朗颂、舞蹈和绘画