Предки Ву происходили из Тайюаня, провинция Шаньси, но сама она родилась в Шанхае, в 1929 поступила в Национальный центральный университет, в 1930—1934 обучалась на физическом факультете Центрального университета Нанкина, в 1934—1936 занималась научной работой при университете.
В 1936 эмигрировала в США вместе с подругой, химиком из Тайюаня Дун Жофэнь. Там она продолжила обучение в Калифорнийском университете в Беркли, там же получила степень доктора философии в 1940. Затем переехала на Восточное побережье, где преподавала в Принстонском и Колумбийском университетах.
В 1956 Ли и Ян предложили Ву поставить эксперимент для проверки их новой теории слабых взаимодействий, которая была построена без использования закона сохранения пространственной чётности. Этот опыт, известный ныне как «эксперимент Ву», был поставлен в 1957 и показал, что закон сохранения чётности может нарушаться при слабых взаимодействиях. Научное сообщество поначалу восприняло этот результат с недоверием, однако повторение экспериментов, как сходных по схеме с экспериментом Ву, так и принципиально отличных, подтвердило полученные ею результаты. Позднее Ли и Ян были удостоены Нобелевской премии по физике. Ву осталась без награды, что было воспринято многими как проявление сексизма.
В 1965 вышла в свет книга Ву «Бета-распад», и поныне остающаяся настольной книгой радиофизиков. В дальнейшем Ву исследовала молекулярные изменения в гемоглобине, вызывающие серповидноклеточную анемию. Первая женщина — президент Американского физического общества (в 1975). В том же году получила Национальную медаль за заслуги в области науки. В 1990 в честь Ву был назван астероид 2752 Ву Цзяньсюн. В 1997 скончалась от инсульта.