吳作人出身于文人家庭，他的父親思想比較進步，但去世很早。童年只有媽媽和祖母陪伴，還有9個兄弟姐妹。因家中孩子太多、生活貧困，吳作人讀了3年書后不得不輟學，等有了點積蓄才去上中學。1926年，吳作人考入蘇州工業專科學校建筑系，但發現自己對建筑并不感興趣，對繪畫則十分癡迷。1927年，吳作人轉學，就讀于上海藝術大學。上海對吳作人有特殊的意義。他在上海起步，并在上海形成貫穿一生的藝術理念。

吳作人的藝術起步階段有兩位重要的老師對他影響巨大。在藝術上是徐悲鴻，“我第一次見到徐悲鴻先生，是在一個演講會上。記得有一句話的意思是真誠，誠是從事藝術的重要品質。”而在思想上影響他的則是田漢。他回憶田漢講到“普羅藝術”，這才知道“普羅”即指無產階級，普羅藝術就是要求藝術反映勞苦大眾，反映無產階級。誠的品質和普羅藝術，這為吳作人后來致力于寫實主義的藝術創作奠定了思想基礎。

1928年初，田漢創立南國藝術學院，徐悲鴻擔任藝術科主任。吳作人從上海藝術大學跳槽至南國藝術學院學習。他協助田漢主編《南國周刊》，在該刊第一次公開發表繪畫作品《和平神下的戰艦》。同年秋，徐悲鴻轉任南京中央大學藝術系教授，吳作人追隨至南京，入徐悲鴻工作室學習。由于吳作人勤奮好學且聰穎過人，徐悲鴻為他爭取到了留學名額。1930年4月，吳作人由上海啟程赴歐留學。他抵歐洲后先入巴黎高等美術學校，后考入比利時布魯塞爾王家美術學院白思天院長畫室學習。入學第二年，即在全院暑期油畫大會比賽考了第一名，獲桂冠生稱號。老師白思天看到他的習作，把班上所有的學生叫到一起，指著畫作說：“請大家記住這個中國人，他日后必將得享大成！”吳作人勤奮學習，很快熟練掌握了專業技能，臨摹并創作了數量可觀的油畫作品，表現出極大的藝術才能。

1935年，吳作人收到徐悲鴻信函，詢問學業與生活外，關鍵詞是邀請他學成歸國，擔任南京國立中央大學藝術系講師的教職。吳作人征詢愛人李娜的意見后便收拾行李物品，特別是旅歐期間臨摹創作的作品，能帶的盡量帶回中國。

自古苦難成就了天才。吳作人在李娜難產去世后一度精神頹廢、感到無力拿起畫筆作畫，后在恩師徐悲鴻的鼓勵下，重新振作精神，以堅韌的筆觸創作了油畫《空襲下的母親》、《不可毀滅的生命》等作品。一段時間后，吳作人創作了油畫《自畫像》、《碉樓舊居》等，但思念亡妻的痛苦時時在啃噬著他的內心。徐悲鴻敏銳地覺察到弟子情緒上的變化，為了讓其擺脫痛苦，他讓吳作人帶隊赴蘭州、西寧、敦煌莫高窟等地旅行寫生、臨摹古代壁畫。

吳作人的人生閱歷、戰爭年代的磨難、個人生活的不幸與坎坷，都無形中為他的藝術特質積累了深沉而豐富的創作內涵。20世紀40年代深入大西北荒漠的藝術考察和藏區的生活體驗，成為其藝術生活的重要轉折點。長達兩年的生活與藝術實踐，使他從現實和歷史兩個方面受到民族精神與審美意識的洗禮，從而使他的藝術體現了生活修養、精神境界、筆墨情趣的和諧統一。吳作人筆下的黑天鵝、牦牛、蒼鷹、駱駝正是這種審美理想的產物。

西北之行不啻在觀感上收獲頗豐，也使他的油畫藝術產生了一次飛躍。更可喜的是他開始嘗試以中國水墨畫形式抒情表意，使他的藝術創作觀念更向中國審美體系回歸，更加注意藝術的寫意性。

1945年，吳作人回到四川，先在成都舉辦“吳作人旅邊畫展”，同年底在重慶舉辦“吳作人畫作回顧展”。兩次畫展展出的重點都是旅邊寫生、莫高窟所臨壁畫以及戰火中幸存的畫作。徐悲鴻、郭有守、陶行知、鄭君里等先后在蓉渝兩地報刊上撰文評述。1946年，吳作人返回抗戰勝利后的上海并舉辦“吳作人邊疆旅行畫展”。

他與丁聰等美術家組成上海美術作家協會，并舉行第一次聯展。在此次展覽的開幕式上，吳作人遇到了蕭淑芳。1948年6月5日，在北平，在他們共同的恩師徐悲鴻的見證下，蕭淑芳與吳作人喜結良緣。他們婚后琴瑟和諧，互相充當對方作品的第一位觀眾與最真誠的品評者。此間吳作人的藝術思緒四射，創作了一大批經典性的作品。

1949年田漢化妝入城，找到徐悲鴻和吳作人，當年南國社的三位師友再次重逢，徐悲鴻和吳作人決定留在北平，保全北平藝專，迎接北平解放。后來就在北平藝專的基礎上建立了中央美術學院。徐悲鴻既是吳作人的恩師，也是工作關系中的上級。徐悲鴻逝世后，中央美術學院的行政管理、教學科研等重擔大部分落到吳作人肩上。他先以常務副院長代行院長職責，后來于1955年正式擔任了中央美院的院長。吳作人不僅是著名畫家，還是卓越的美術教育家。他在數十年間辛勤耕耘，所培養的人才遍布全國，發揮著建設新中國美術事業骨干力量的作用。他又是深孚眾望的美術活動家，不斷地提攜富有才華的美術青年。吳作人平易近人，不少知名的文藝界人士都愿意和他結為探討藝術和學術的摯友。

吳作人在西風東漸中登上美術舞臺。他創作主要體現在兩個方面：一是把中國的詩意帶入油畫，所以他的創作面貌和西方繪畫不太一樣，和蘇派也不一樣。另外是他把透視技巧、準確度等西畫的元素融入國畫里。徐悲鴻一直提倡素描是一切造型的基礎。徐悲鴻1953年去世后，這方面的推進工作都是由吳作人來執行的。周恩來曾問吳作人是不是學國畫的也應該學習素描？吳作人肯定地回答素描是一切造型的基礎，再也不能以畫野逸高士的筆墨畫工人農民解放軍，也不能用山林茅屋的舊圖式畫新中國的新氣象了。吳作人的回答得到周恩來的首肯。新中國畫體系由此確立并由吳作人主導推進，在此后的幾十年間成為畫壇主流，他自己也據此審美取向創作了無數精品力作。

為了促進東西方文化交往，吳作人在耄耋之年還多次抱病赴國外舉辦畫展，遍訪歐、美、澳及南亞等洲的許多國家，進行考察，作學術報告。他的藝術成就博得國際聲望，被譽為中國現代文化在美術上的一個折射，鮮明地體現著中國傳統的涵養和現代情感。為了進一步提攜后輩，他以自己的藝術勞動所得，設立“吳作人國際美術基金會”，獎勵且資助國人和海外華僑、華裔中優秀的美術家從事創作與研究工作，推動其有益的美術活動，以發揚優秀的中國文化，促進現代中國美術的發展。

吳作人在60余年的藝術生涯中深深扎根于中華優秀的文化傳統沃土。他稟賦聰慧，學貫中西，刻意探求，大膽創新。他以“法由我變，藝為人生”的藝術觀，循著“師造化，奪天工”的創作道路，繼承和發展傳統，為中國水墨畫開拓了新的風貌，從理論和實踐上都作出了重大的貢獻。吳作人同時又是一位造詣極高的書法家。1984年，法國政府授予他“藝術與文學最高勛章”。1986年，比利時國王授予他“王冠榮譽勛章”。

吳作人曾任中央美術學院院長、中國文聯副主席、中國美術家協會主席等，亦為西泠印社社員。出版有《吳作人畫集》、《吳作人畫輯》、《吳作人速寫集》、《吳作人文選》等。