1975年，吴碧霞出生在湖南省常德市鼎城区的一户普通家庭，母亲吴秀英是县剧团专业演员，父亲王华安曾在县宣传队和剧团演出。吴碧霞一出生就受到家中艺术气氛的熏陶，孩童时期就常常抱着录音机边听边学歌曲。6岁时，她对着风琴练习发音，还常常把报刊上的歌曲剪下贴成集子，手抄了10多本的歌曲。小学时期，她是班中的文艺骨干和活跃分子，中学时期担任班级的音乐课代表 。
1990年9月，参加中央电视台青年歌手大奖赛，因年龄太小未取得资格。1992年，被太平洋影音公司相中，录制并出版了盒带专辑《中国妞妞》。同年，参加文化部春节晚会，演唱歌曲《细雨淋湿小村庄》。1996年，获得文化部“96全国声乐比赛”民族唱法一等奖。1997年，获得“国际青年艺术节”金奖 。
2000年11月8日，获得“第一届中国（广州）国际声乐比赛”一等奖。同月底，参加“第8届西班牙毕尔巴厄国际声乐大赛”，获得冠军 。2001年，受国际声乐组委会和西班牙国家广播电视台邀请，赴马德里参加GalaLirica音乐节 。同年，获得第4届波兰玛纽什科国际声乐比赛第二名，以及最佳女高音奖和最受观众欢迎奖 。12月，应国际声乐组委会和西班牙ARRIAGA歌剧院的邀请，出演歌剧《弄臣》女主角吉尔达。
2004年，在慕尼黑国际双年歌剧节上首演了瞿小松的歌剧《试妻》中的扇坟女和田氏。2005年1月11日，担任第1届中国电影导演协会年度奖颁奖典礼表演嘉宾，演唱俄罗斯民歌《夜鹰》 。6月，获得第2届中国唱片金碟奖古典类最佳女歌手奖 。2006年4月，在辽宁大剧院举行个人独唱音乐会 。同年，作为国家访问学者，赴美国茱莉亚学院和马里兰大学学习。2008年7月，凭借《红楼梦音乐会》获得第6届中国金唱片奖影视歌曲专辑奖 。2009年，上海国际音乐节首演了声乐随想曲《蝴蝶双飞》。11月，在中国国家大剧院首部中国原创歌剧《西施》中饰演郑旦。2010年5月27日至6月1日，担任歌剧《贾尼-斯基基》的主演 。6月11日，在广州星海音乐厅举行《夜莺归来独唱音乐会》 。2012年9月，担任第9届金鹰节开幕式表演嘉宾，与沙宝亮压轴演绎歌曲《我为你而来》 。
2019年4月，发行个人音乐EP《红玫瑰》。6月，被聘为“北京艺术院校思想政治理论课名家领读经典”授课教师 。同月，在广州星海音乐厅举行《吴碧霞与贵阳交响乐团中西经典作品音乐会》 。8月，获教育部“全国优秀模范教师” 。9月，获得国家级各类评选获奖个人 。同月，担任湖南卫视声乐竞演节目《声入人心第二季》的代班出品人 。
2021年10月14日，参加央视2021年重阳节晚会《久久乐重阳》，演唱《沧海一声笑》。
1990年，吴碧霞以专业、学业全国第一名的成绩被中国音乐学院附中录取。附中期间，她的所有课程考试都在90分以上，主科成绩在全学科中位列第一，学校安排了声学学科主任邹文琴辅导她的声乐。1993年，以全科成绩第一名的身份，被保送到中国音乐学院大学本科学习。本科期间，她自学传统民歌、京剧、昆曲以及包括器乐在内的音乐知识 。
1999年，被评为北京市全优三好学生，并被保送到中国音乐学院研究生部攻读硕士学位，金铁霖担任其民族唱法导师，郭淑珍担任其美声唱法导师，成为中国音乐界第一个双主科的研究生 。2017年9月，被聘任为中国音乐学院声乐歌剧系博士研究生导师 。
2002年和2004年，吴碧霞在湖南举办了“帮困助学”个人独唱音乐会，共筹集善款210万，建立了“吴碧霞帮困助学教育基金”，资助了500名贫困学生上大学 。
吴碧霞拥有洋娃娃般的圆脸，以及明亮的双眼，她的气质、眼神、笑容里透露着孩子般的纯真。她的身上散发着湘女的多情，以及辣妹子辣的辣劲儿。在歌剧艺术表演上，吴碧霞另辟新风，她能够将内心的感受洋溢在面部神情和肢体语言上，一双传神的眼睛能准确地到达每一个音符。她的声音自然不做作，具有丰富的艺术表现力和艺术感染力。她演唱《弄臣》《霍夫曼的故事》《夜莺》等颇具难度的歌剧咏叹调时，高音甜美圆润，字正腔圆，眉目传情，手眼身法步准确表达每个细节 （中国侨网评）。
