吳海燕1954年生於上海，父親是正軍級的將領，轉業後創建了上海京劇院。吳海燕五歲就在上海戲劇學院小小班學習戲劇，是全校年齡最小的學生。她從事電影表演，可以説是半路出家，被時人稱為“上影一枝花”。
1973年，19歲吳海燕被導演錢江選中，出演電影《海霞》中的女主角海霞。固然是第一次拍電影，吳海燕憑仗紮實的京劇功底，勝利描寫了意氣風發的海霞這一角色，深受觀眾好評，她也憑仗此劇一夜成名。
從此吳海燕跨入一個嶄新的天地。儘管由於第一次拍片，在鏡頭面前還不夠靈活自如，但她那健美硬朗的氣質和自然直率的表演風格，卻受到廣大觀眾的好評。這也是吳海燕的藝術生涯到了一個轉折點。
“文革”後，吳海燕在影片《綠海天涯》中飾演一名為祖國科研事業犧牲在莽莽叢林中的女青年魯琨。1978年吳海燕進入上海電影製片廠，參與演出了《等到滿山紅葉時》，扮演一個農村長大的姑娘楊芙。表演中她注重真切細膩，層次分明地展現複雜豐富的感情變化，其中尤以“哥哥”去世一場戲為佳。
1980年，吳海燕接受了影片《白蓮花》中扮演主人公白蓮花的任務。那時候大家都説吳海燕太清秀，性格與角色有距離，擔心她演不出“白蓮花”那種綠林女豪傑的英雄氣概，吳海燕沒有在困難面前退縮，着實下了一番功夫。首先研究劇本，通讀了五、六遍，主要理解人物的內心世界，力求神似。
自《白蓮花》過後，吳海燕先後出演過《還鄉》、《特區姑娘》、《水鎮情絲》、《同齡女友》、《加洲來客》、《笑出來的眼淚》、《你好、太平洋》中的不同類型角色。
1981年，吳海燕在《檢查官》中扮演一個戲不多的配角，一位致殘的舞蹈演員。在表演中她充分體驗角色不幸致殘的深切痛苦和對舞台生活的眷戀，通過表情準確揭示人物心情。
同時，吳海燕還主演《賣大餅的姑娘》和《浣紗女的傳説》(西施)等多部電視劇，都得到成功。前者是上影電視部最早的一部電視劇，吳海燕在劇中扮演一位品質高尚、心地善良的姑娘王英，獲得了全國廣大觀眾的好評。
事業勝利的同時，吳海燕也收穫了一份美妙的婚姻。丈夫章曉申是著名的京劇演員，與吳海燕是同窗，兩人結婚至今恩愛有加，從未有過半點緋聞，如今年過六十的老夫妻還經常到全國各地參與節目，氣質不減當年。
吳海燕也是個愛好廣泛、多才多藝的演員。除京劇外，她還喜歡朗頌、舞蹈和繪畫