1991年，吳敏霞開始在上海市第二跳水學校接受訓練，1998年，吳敏霞入選中國國家隊。2004年，吳敏霞與郭晶晶一起奪得雅典奧運會女子雙人3米板金牌，并在隨后的女子單人3米板比賽中獲得亞軍。2008年，吳敏霞再次與郭晶晶配對，成功奪得北京奧運會女子雙人3米板金牌。2011年7月，吳敏霞個人第一次獲得世錦賽女子單人3米板的冠軍。2012年8月，吳敏霞在倫敦奧運會上先后獲得女子雙人3米板與女子單人3米板的金牌，個人奧運會金牌數累計達到4枚，平了中國跳水隊記錄。2013年7月，吳敏霞與施廷懋一起奪得女子雙人3米板金牌，這也是她第六次獲得世錦賽女子雙人三米板冠軍，成為該項目的歷史第一人。2014年，吳敏霞參加了仁川亞運會，成獲得了亞運會女子雙人3米板的冠軍。