吴有训进入芝加哥大学的第二年，Ａ．Ｈ．康普顿（Ｃｏｍｐｔｏｎ）由圣路易的华盛顿大学转到芝加哥大学执教。这时，康普顿刚刚发现以他的名字命名的康普顿效应。所谓康普顿效应，就是波长极短的电磁波（例如γ射线或Ｘ射线）经散射物散射后波长变长的现象。这一现象的发现，对波粒二象性的认识和量子理论的发展有重要意义。吴有训正好在康普顿作出这一重大发现之后接受康普顿的指导，参与了这项研究工作，成了康普顿得力的助手和主要合作者。吴有训在康普顿的指导下做博士论文，题目就叫“康普顿效应”。１９２５年通过答辩，获得芝加哥大学哲学博士学位。他以精湛的实验技术、严密细致的工作和精辟的理论分析确证康普顿效应的普遍性，发展并丰富了康普顿的工作，使这一发现更快地得到国际学术界的承认。
１９２６年吴有训回国后，先回到江西参与江西大学的筹备工作，后因政局动荡，建校难成，乃转而投奔恩师胡刚复。１９２７年８月受南京第四中山大学（后改名为中央大学）之聘任物理系副教授，兼系主任。翌年，清华大学理学院院长叶企孙得知吴有训回国，通过胡刚复邀请他到清华大学任物理学教授。以后数年，吴有训在清华大学充分施展了自己的才华。他一方面认真讲授近代物理学，一方面积极倡导、组织并参加近代物理学的科研工作，并创建了国内第一所近代物理实验室。１０年内，他从理论上探讨Ｘ射线的气体散射，先后在国内外发表了１０余篇论文。他的工作被严济慈誉为开了“我国物理学研究的先河”。
１９３４年，吴有训接叶企孙任清华大学物理系主任，１９３７年又接替叶企孙任清华大学理学院院长。他在这些领导工作中，始终把教学质量放在第一位，同时坚持教师不脱离科学研究。他广揽名师，延聘学高诣深的学者到校任教。对学生的学业严格要求，本着宁缺毋滥的原则选拔学生。他注意发扬民主，尊重每一位教职员工。在叶企孙和他的主持下，清华大学物理系成了闻名中外的培养物理学人才和科学研究的基地。
１９３７年，清华大学迁往长沙，和北京大学、南开大学组成长沙临时大学（１９３８年由长沙迁往昆明改为西南联合大学），吴有训出任理学院院长，兼新成立的清华大学金属研究所所长。
１９４５年，吴有训任中央大学校长。他从爱护青年出发，对国民党当局迫害青年进行了坚决的抵制。他厌恶官僚统治，１９４７年借出国参加国际会议之机，摆脱了中央大学校长职务。１９４８年，先后在美国哈佛大学和麻省理工学院等校进行短期访问，从事科研工作。
中华人民共和国建立后，吴有训出任华东军政委员会委员，兼教育部长，同时担任上海交通大学校务委员会主任。１９５０年，赴北京任中国科学院近代物理研究所所长。同年１２月，中央人民政府任命吴有训为中国科学院副院长。１９５５年，当选为中国科学院数理化学部委员兼学部主任。
１９４９年，吴有训作为无党派民主人士的代表出席第一届中国人民政治协商会议，以后又被选为第二届中国人民政治协商会议全国委员会委员，第三届中国人民政治协商会议常务委员，第一、二、三、四届全国人民代表大会代表，第二、三、四届全国人民代表大会常务委员会委员。
全面验证康普顿效应并发展了其理论
吴有训对近代物理学的重要贡献，主要是全面地验证了康