吴伟仁院士长期从事航天遥测、测控通信和深空探测工程研究与实践。负责研制成功我国第一代计算机遥测系统和远程航天测控通信系统，达到国际先进水平；支持实现航天测控通信由S频段近地空间到X频段深远空间的技术跨越。提出并实现嫦娥二号对月球、日地拉格朗日L2点和小行星等多目标探测，开辟了我国深空探测新领域；主持实现嫦娥三号月球软着陆和巡视探测，树立了中国航天新里程碑；主持完成嫦娥四号国际首次月球背面软着陆和巡视探测任务，成为人类太空探索新的里程碑；为主提出无人月球采样返回技术方案，获国家批准正在实施；主持论证提出月球科研站实施方案，已经中央审议通过。

先后获得国家科技进步特等奖2项，一等奖2项，二、三等奖各1项。

获首届全国创新争先奖章，国防科技工业杰出人才奖，何梁何利科技进步奖等等。

发表论文70余篇，出版专著10余部。