吴国雄院士多年来一直从事天气、气候动力学，大气环流动力学，和气候系统模式发展和数值模拟的研究，在天气和气候领域取得了系统性、创造性的成果。他在国际上首创湿倾斜涡度发展理论（SVD）和全型垂直涡度方程，成功地揭示青藏高原西南涡和夏季江淮流域的暴雨发展机理，揭示副热带高压形态变异的成因和副热带季风－沙漠共生机理；证明原始方程中的无加速定理以及大气运动的动力强迫和热力强迫的调配率；开展创新性气候动力研究，继承和发展了我国学者关于青藏高原对大气环流和天气气候影响的研究，提出了热力适应和青藏高原影响的“感热驱动气泵”理论，证明了海陆热力差异和大地形对亚洲夏季风不同分支系统形成的不同贡献；在国际上首次把亚洲夏季风爆发分为有机联结的三个阶段，证明由于中高纬度的强地转性和斜压性使其海气相互作用的特征与热带显著不同。