仁宗嘉祐八年（1063）中进士。熙宁三年（1070），为武安（今湖南长沙）节度推官，尽力推行王安石新法，核准闲田荒地，以均给枚山的徭役耕种，取得成效，升大理寺丞。
元丰二年（1079），出任河北常平仓提举。以新法为典范，增订《损役法》五十一条，为神宗所赏识，赐给银绯，晋任京东路（治所在今河南商丘南，后分东、西两路）转运判官，不久，又升副使、转运使。朝廷大兴盐铁，他竭尽心力，政绩卓著，受到神宗帝器重。此时，朝廷大兴盐铁贸易。吴居厚发挥其善于理财的特长，精心筹划，竭尽心力，征得赋银数百万。鼓励莱芜、利国二地官员自铸大钱，每年可获得10万缗（一缗为一千文钱）收入。神宗对其进行褒奖，升为天章阁待制。元丰四年（1081），任京都转运使。在任期间，以盐铁赋税之利购置绢品，资助河东换马牧养；拨出大铁钱20万缗，支援陕西边关军饷；召募牧民养牧马匹，进而安置游民散夫。神宗嘉誉其“于职分之外，恤及他路，非才智有余不能”。哲宗即位后，王安石新法受阻，吴居厚亦遭弹劾，被贬为黄州（治所今湖北黄冈县）团练副使，不久转知庐州（治所今合肥）。绍圣元年（1094），吴居厚以集贤殿修撰起用为江、淮、荆、浙转运使，掌管东南六路漕运，兼管制茶、盐等事。他随即疏浚运河，楚海二州农田亦受其利。在任上，他疏浚运河，以利漕运和灌溉农田，为此升户部侍郎、户部尚书。后晋光禄大夫，以中书侍郎加门下侍郎。二年（1095），以龙图阁学士知开封府。不久，奉旨修永泰陵（宋哲宗赵煦的陵墓），出任桥道顿递使。其间因久雨耽误了竣工期限，被贬知和州（今安徽和县）。后为陕西转运使，复任开封府尹。崇宁二年（1103）四月，吴居厚晋封中大夫，官拜尚书右丞。三年九月，为右光禄大夫、尚书右丞加中书侍郎。五年（1106）正月，以右光禄大夫、中书侍郎加门下侍郎。大观元年（1107），因年高告退，以资政殿学士改任鸿庆宫提举、东太一宫使，恩许仍服团金毬文带。后知亳州、洪州，改太原道都门、佑神观使。四年（1110）八月，以资政殿学士、宣奉大夫、佑神观使加门下侍郎；十月，迁知枢密院事。政和三年（1113）正月，以武康军节度使知洪州，四年（1114）病逝。徽宗追赠他开府仪同三司，赐御葬于进贤麻山，魂归故里。一生著有《吴居厚集》一百卷（《宋史·艺文志》）、《吴居厚奏疏》一百二十卷，已佚。 事见《丹阳集》卷一二《枢密吴公墓志铭》，《宋史》卷三四三有传。