1922年8月31日,生于福建省閩清縣。

1940年,回國參加抗日活動,同年入昆明郊區的同濟大學附屬中學求學。

1943年,被國立同濟大學醫學院錄取。

1949年,畢業于同濟大學醫學院(今華中科技大學同濟醫學院),同年進入華東軍區人民醫學院第一附屬醫院（即第二軍醫大學第一附屬醫院)。拜師裘法祖教授。

1958年,翻譯并出版了中國第一本肝臟外科方面的專著-《肝臟外科入門》，同年組成了以吳孟超為首的旨在攻克肝臟外科為目標的“三人攻關小組”。

1959年,在沒有任何外界專業參照的情況下，“三人攻關小組”自主成功制作出我國第一具完整的人體肝臟血管鑄型標本。

1960年,在國際上首次提出肝臟結構“五葉四段”解剖學理論;同年發明“常溫下間歇性肝門阻斷切肝法”。

1961年,發現了“正常和肝硬化肝臟手術后生化代謝規律”,并據此提出了糾正肝癌術后常見的致命性生化代謝紊亂的新思路與新策略。

1963年,突破了“中肝葉”手術的禁區,令世人震驚。

1975年,一刀切除了迄今為止國內外最大的已被切除的肝海綿狀血管瘤。

1979年,赴美出席第28屆國際外科學術會議,以1960年至1977年期間切除治療原發性肝癌181例,總手術成功率91.2%的經歷,震驚了國際醫學界,被增選為國際外科學會會員。

1983年,為4個月大女嬰,成功切下了重達600克的肝母細胞瘤。創新提出肝癌“二期手術”概念,攻克原發性巨塊型肝癌治療等世界性難題。

1991年,當選中國科學院院士。

1996年,牽頭創建東方肝膽外科醫院和東方肝膽外科研究所。

1997年,將所獲獎金和社會捐贈共500百萬元成立吳孟超肝膽外科醫學基金(2004年6月更名為上海吳孟超醫學科技基金會)。

2004年,獲國際肝膽胰協會杰出成就獎。

2005年,榮獲國家最高科學技術獎。

2006年,聯合6位院士向國務院提交建議案,牽頭建起國家肝癌中心和肝膽醫院安亭新院。

2009年,入選新中國成立后為國防軍隊建設作出重大貢獻、具有重大影響的百名先進人物。

2010年,國際天文學聯合會將第17606號小行星永久命名為“吳孟超星”。

2012年,被評為2011年度感動中國人物。

2016年,評選為全國“十大最美醫生”。

2018年,參加節目《朗讀者》,96歲的他每周3臺手術。

2021年5月22日13時02分,因病醫治無效在上海逝世,享年99歲。