1939年12月5日生于陕西三原县，中学时，吴天明就对文艺产生了兴趣。有一次在观看前苏联影片《海之歌》。为此，他阅读了大量有关电影的书籍，并想尽一切办法观看电影，甚至不惜卖掉自己的新鞋来换取电影票。
1960年吴天明报考了西安电影制片厂演员训练班，并在影片《巴山红浪》里扮演一个农村青年。1962年训练班结业后，留在西影演员剧团作了一名演员。
1974年参加了《红雨》的拍摄工作，在崔嵬的指导下，他学到了许多导演艺术知识。1974年进入中央五七艺术大学电影导演专业班（后为北京电影学院导演进修班）学习。1979年与导演滕文骥合作拍摄了故事片《生活的颤音》。1981年再次与滕文骥合作拍摄《亲缘》。
1983年独立执导了故事片《没有航标的河流》，该片于1984年获文化部优秀影片二等奖，夏威夷第四届国际电影节东西方中心电影奖。
1984年他执导的影片《人生》或巨大轰动，好评如潮，获得了第八届电影百花奖最佳故事片奖。
1987年吴天明执导影片《老井》，这是一部描写中国北方贫瘠山村生活风貌的影片。在影片中，吴天明启用张艺谋出演男主角孙旺泉，该片于1988年获得第八届金鸡奖最佳故事片奖，第十一届百花奖故事片奖，第二届东京国际电影节故事片大奖，第七届夏威夷国际电影节评审团特别奖等。吴天明本人获得第八届中国电影金鸡奖最佳导演奖。
1994年吴天明执导了《变脸》，获得1995年华表奖最佳对外合拍片奖，东京国际电影节最佳导演奖。
1998年执导袁立、柳云龙主演的电影《非常爱情》。
2002年执导张瑞敏为原型创作电影《首席执行官》。
2013年9月吴天明凭借电影《百鸟朝凤》在第22届金鸡百花电影节获得了评委会特别奖。
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