柏克莱崭露头角
1936年8月，24岁的吴健雄到达美国加州旧金山时，她对这个国家只有一些耳闻的印象，她的老师胡适、顾静薇曾经在美国念过书，在书报杂志上，她也知道了一些美国的风土人情，就像一个典型的中国知识分子，对于美国，对这个以中国字“美”为名的国家，她的印象是良好的。
1936年的美国，正处于其20世纪国力颠峰发展的起步，欧陆种族法西斯主义的暗潮，驱走了许多欧洲的住民，也驱赶出许多一流的知识大儒。吴健雄初抵的美国西岸旧金山，更是这个年轻国家向西拓展的新起之地，那种朝气勃发的气氛，令年轻的吴健雄兴奋无比。
吴健雄本来只是在旧金山停留一个礼拜，探望她的一个林姓女同学，这位女同学的先生姓郭，当时正在加州大学柏克莱分校任教，吴健雄去了，就住在这位女同学家中。原本她计划一周后便要继续东行，到密西根大学去念书，哪里知道这一停留，竟使她改变了原本要去密西根大学的心意，在加州柏克莱留了下来。
吴健雄到加州大学柏克莱时，学校已经开学。当时学校中有一个华裔学生，是中国学生会会长叫Victor杨，人很活跃热心，他见到吴健雄，便告诉她说，刚好两个礼拜前才来了一位中国学生，是念物理的，可以带吴健雄参观物理系，那位中国留学生就是袁家骝。袁家骝是清末重臣、民初一方人物袁世凯的孙子，不过当时吴健雄并不知道袁家骝和袁世凯的关系。
吴健雄在袁家骝的带领下，参观了建在一个小山丘起伏地形上的柏克莱校区。做过一些X光晶体衍射光谱实验的吴健雄，看到柏克莱物理系各种不同的实验，频频询问之余，心中是无比的兴奋。当然，最让吴健雄印象深刻的，乃是当时由劳伦斯（E.Lawrence）在柏克莱物理系莱康特馆中建造起来的放射性实验室，这个实验室后来继续发展扩大，而成为目前在柏克莱后山上的劳伦斯柏克莱实验室。当时的放射实验室，已经建成了一具37英寸的回旋加速器，对于这种可以用于加速带电粒子，撞击不同原子核，进行当时最热门原子核实验的奇妙仪器，吴健雄是欣羡莫名的。
当时柏克莱的物理系，虽然不像美国东岸的哈佛、耶鲁、哥伦比亚等一些学校，有些悠久的发展历史，但是却吸引了一批年轻而顶尖水准的物理学家，像发明和建造回旋加速器的劳伦斯，当时才35岁。另外在物理系中，还有一位绝顶聪明的年轻理论物理学家奥本海默。
哈佛大学念化学毕业的奥本海默，1925年开始到英国和德国去游学，那正是欧洲量子力学发轫之时，他和波恩（M.Born）、狄拉克（P.Dirac）等一些当时最顶尖物理学家，有密切交谊。他的一流物理才分，他的尖锐言辞和喜好质疑，加上强烈的自我表现个性，使他1929年到柏克莱物理系任教后，很快成为一个传奇性的人物，那时奥本海默28岁。
聪慧过人，对物理科学发展有着极佳眼界，又具强烈成就动机的吴健雄，很快就发现柏克莱物理系无可抗拒的吸引力，这正是她梦寐以求的探索科学知识之地。因此，她立即有了留在柏克莱，不去密西根大学的想法。于是她便由袁家骝陪着，去见了当时柏克莱物理系的主任柏基（R.Birge）。
尽管柏基对中国人和女性有偏见，显然并没有阻止他看出吴健雄超凡的物理才分，柏基深知要造就一个好的物理系，除了一流的老师，也要收一流的学生。因此，虽然学校已经开学，柏基还是特别破例接受吴健雄的申请，欢迎她进入柏克莱物理研究所就读。
吴健雄在柏克莱停留下来，住进离学校不远的国际学舍里，除了科学，她也努力学英文和了解美国事务。但是有两件事，她却一直保有中国式的品味，其中之一是衣着，吴健雄的衣着总是中国式的高领旗袍，另外一样就是饮食。
吴健雄在国际学舍的头一天早上，就对学生餐厅里的洋式食物极不欣赏，甚至连勉强填饱肚子也不愿意。她放弃吃这种饭，决心要找到自己习惯的食物，到了下午，她在校园外一家小店里找到了春卷和茶，这是她可以习惯的食物。
吴健雄不多久便找到一个解决的办法，经由一个朋友的帮忙，她找到一个中国饭馆（Tea? garden），饭馆老板很好，答应吴健雄可以只收美金两毛五分钱供吃一顿饭，共有四个菜一汤，饭随你吃，只是不能点菜，由老板看有什么给什么。往后吴健雄便经常到那里去吃饭，她总是拉着同学好友一块去，有时人多，有时人少。像吴健雄和袁家骝，以及乌苏拉和后来得了诺贝尔物理奖的兰姆，这两对后来结为夫妻的男女经常一块去。一块美金可以吃饱四个人，确实是经济实惠的。
吴健雄到柏克莱没有多久，对她赏识照顾有加的胡适，正巧到柏克莱来，那时柏克莱有一位马教授，是胡适的好朋友，他请胡适吃晚饭，由于听说吴健雄是胡适的学生，所以请了吴健雄，胡适和袁家骝的父亲袁克文，由于在上海是旧识，所以袁家骝也在座中。
那一回胡适和吴健雄谈了许多，他了解到吴健雄在求学上的立志和决心，感到十分欣慰，第二天胡适还写了一封长信给吴健雄。这封对吴健雄多所期待和勉励的信，多年后胡适去世后，吴健雄寄给了胡适夫人，现存于台湾南港的胡适纪念馆中。
吴健雄在柏克莱物理所的前两年，是和同学一块上课，大约有十五个人。她的同学中有一些人后来做了相当重要的工作。譬如后来在芝加哥市郊一手创建起美国最重要的高能物理中心费米国家实验室的威尔森。还有像渥科夫（G.Volkoff），后来做了加拿大物理学会会长、加拿大国家科学顾问，对加拿大的物理发展贡献很大，是加拿大最知名的物理学家。
吴健雄在柏克莱念完一年，成绩相当的好，第二年到了，吴健雄不要叔父继续供她读书的钱，便想向学校申请奖学金。那时候美国对东方人是很歧视的，过去也从没有给过东方学生奖学金，系主任柏基怕董事会有意见，因此只能给吴健雄和袁家骝钱数较少的助读金（Reaoecship）。
袁家骝于是转向在加州南方洛杉矶的加州理工学院申请，结果得到校长密立肯亲自来电报说要给袁奖学金，并要袁家骝立即回复。袁看机会很好，就立刻回复接受，这还引起柏克莱物理系主任柏基很大的不快。
吴健雄继续留在柏克莱物理系，继续认真地上课求知。由于她的才分出众，勤奋努力，加上外貌妩媚气质高雅，个性又开朗率真，在物理系师生间成为一个明星人物，物理系的男同学都众星拱月般地仰慕她，公认她是系花美女，其中有好几个人追求她，他们甚至将她的姓名“吴”发声作“呜”，半开玩笑地唱在一首情歌中。
头两年的一般课程上完后，吴健雄要开始准备她的博士论文报告，也就是说她要开始找一个指导的教授，选定一个实验题目，开始为她将来要长久从事的科学实验工作，取得一个合格入门的资格。吴健雄由于物理才分本就不凡，加上以前在上海的中研院物理所做过X光晶体衍射实验，对于需要相当经验才做得好的物理实验，可说已有一些根基。因此，当时在柏克莱放射实验室任主持人的大科学家劳伦斯，一开始就是她名义上的指导老师。而实际上指导吴健雄做实验的，是一位20年代跟随大科学家费米（E.Fermi）在罗马做出一些有名原子核实验工作的塞格瑞。塞格瑞在物理上的早期经验和后来他在欧洲的游学研究，使他当时已经是一个相当有份量的物理学家，因此虽然一开始在柏克莱他并没有正式教席位置，薪水也是由洛克菲勒基金会支付，但是却马上有不少的合作者。
1938年，吴健雄正式开始其后来成就斐然的原子核物理实验之时，这个科学领域正是一个灿然大起的局面，延续自这个世纪初期以来的许多进展，使原子核物理达到一个空前的盛况。
1938年吴健雄的头一个实验工作，由劳伦斯指导，题目是探究放射性铅因产生β衰变放出电子，而激发产生出两种型态X光的现象。这个工作与当时已相当出名的科学家如乌楞拜克（G.UhlenbecK）、贝特（H.Bethe)和海特勒（W.Heitler）的理论工作，有着直接的关系。对于原子核物理来说，恐怕没有什么事情会比1938年底铀原子核分裂的发现，来得更令人震惊了。1939年1月这个消息由科学期刊正式公开之后，全世界在这一领域的科学家，都迫不及待地开展相关的实验工作。
1939年吴健雄由塞格瑞指导进行的实验，也正是研究铀原子核分裂的产物。在这一系列的实验工作中，对吴健雄而言，可以说有两大重要意义。其一是这些实验虽有塞格瑞指导，但是大多数是吴健雄**完成的，另外则是其中的一项结果，对于后来美国造原子弹的“曼哈顿计划”提供了关键的贡献。
吴健雄一开始的实验工作，便有着她后来普受赞赏的风格和特质，是精确而细致的，因此无论是她名义上的指导者劳伦斯，或是实际和她一块工作的塞格瑞，对她都极为赞赏。
她经常在实验室中工作到很晚，由于系里担心她一个人半夜里走回国际学舍的安全，因此便要另外一位也经常在实验室中工作到很晚的同学威尔森，开他的老爷车送吴健雄回去。因此，每天清晨三、四点钟，威尔森便会绕到吴健雄的实验室说：“吴小姐，你回家的时候到了。”
威尔森是吴健雄同学中相当有才分的一个实验科学家，也是吴健雄的爱慕追求者之一，他平时彻夜在实验室的工作，以及暑假里回怀俄明州老家打工赚学费的作为，都令吴健雄印象深刻，也觉得美国学生**精神确实不同。
吴健雄是1940年得到博士学位的。她的研究论文就是前面提到的两项研究，这两项研究不但都写成论文，发表在国际上最重要的《物理评论》期刊上，实验结果在科学上也都有相当重要的意义。吴健雄得了学位之后，继续在柏克莱做了两年博士后研究。她的实验工作是研究铀元素的分裂产物以及一些元素的放射性同位素，因此经常要利用回旋加速器撞击靶后产生的中子束。那时劳伦斯为了得到支持建造回旋加速器的经费，总要强调加速器应用在治疗癌症方面之功用，因此也确实有一些病人在接受照射治疗。吴健雄通常总是早上六点就去，等病人一停止治疗，她马上就开始工作。
吴健雄在原子核分裂和放射性同位素方面的杰出工作，当时已经使她成为奥本海默等许多大科学家口中的“权威专家”，经常被请去在讨论会上，讲这方面的一些专题。甚至后来有人请塞格瑞去讲核分裂时，他都要向吴健雄借她演讲的资料去用。
还有一回塞格瑞拿了一个经过中子照射的东西给吴健雄看，问她：“你看这是什么？”吴健雄就去量了一下，立即判定是铑（Rh），结果塞格瑞拿来的真是铑。塞格瑞在他19**去世以前，曾经将一块东西交给一直留在柏克莱的吴健雄的同学赫姆霍兹，这个东西就是那块铑。吴健雄专心致志于科学研究，但是她也并没有忘记自己出国的目的。中日战争爆发后，她曾经想过是不是要回到中国去，后来日本发动太平洋战争，航路邮件断绝，更使她望断乡关。也许是她的心根深于中国，有时在和外国好友谈话时，她会不自觉说起中国话来，而她浓重上海口音的英文，有时亦不易听懂，说话中也不时把“他”和“她”弄混了，不过她书写的英文，确是相当流畅典雅的。吴健雄最出名的一个故事，是有一次她演讲时太过投入，居然将物理公式像中国字一般，在黑板上由右向左写出来。毫无疑问，这时吴健雄已经是加州大学柏克莱分校的一个传奇人物，当地的报纸都有专文报道，中国国内也有了她是“中国居里夫人”的说法。
这时候的吴健雄，已经是科学上一颗耀眼的明日之星了