1922年8月31日,生于福建省闽清县。

1940年,回国参加抗日活动,同年入昆明郊区的同济大学附属中学求学。

1943年,被国立同济大学医学院录取。

1949年,毕业于同济大学医学院(今华中科技大学同济医学院),同年进入华东军区人民医学院第一附属医院（即第二军医大学第一附属医院)。拜师裘法祖教授。

1958年,翻译并出版了中国第一本肝脏外科方面的专著-《肝脏外科入门》，同年组成了以吴孟超为首的旨在攻克肝脏外科为目标的“三人攻关小组”。

1959年,在没有任何外界专业参照的情况下，“三人攻关小组”自主成功制作出我国第一具完整的人体肝脏血管铸型标本。

1960年,在国际上首次提出肝脏结构“五叶四段”解剖学理论;同年发明“常温下间歇性肝门阻断切肝法”。

1961年,发现了“正常和肝硬化肝脏手术后生化代谢规律”,并据此提出了纠正肝癌术后常见的致命性生化代谢紊乱的新思路与新策略。

1963年,突破了“中肝叶”手术的禁区,令世人震惊。

1975年,一刀切除了迄今为止国内外最大的已被切除的肝海绵状血管瘤。

1979年,赴美出席第28届国际外科学术会议,以1960年至1977年期间切除治疗原发性肝癌181例,总手术成功率91.2%的经历,震惊了国际医学界,被增选为国际外科学会会员。

1983年,为4个月大女婴,成功切下了重达600克的肝母细胞瘤。创新提出肝癌“二期手术”概念,攻克原发性巨块型肝癌治疗等世界性难题。

1991年,当选中国科学院院士。

1996年,牵头创建东方肝胆外科医院和东方肝胆外科研究所。

1997年,将所获奖金和社会捐赠共500百万元成立吴孟超肝胆外科医学基金(2004年6月更名为上海吴孟超医学科技基金会)。

2004年,获国际肝胆胰协会杰出成就奖。

2005年,荣获国家最高科学技术奖。

2006年,联合6位院士向国务院提交建议案,牵头建起国家肝癌中心和肝胆医院安亭新院。

2009年,入选新中国成立后为国防军队建设作出重大贡献、具有重大影响的百名先进人物。

2010年,国际天文学联合会将第17606号小行星永久命名为“吴孟超星”。

2012年,被评为2011年度感动中国人物。

2016年,评选为全国“十大最美医生”。

2018年,参加节目《朗读者》,96岁的他每周3台手术。

2021年5月22日13时02分,因病医治无效在上海逝世,享年99岁。