学周是我国最早把光谱数据应用于分子常数和热力学函数计算的光谱学者。氰酸、氰酸酯、异氰酸酯和卤化氰分子的解离能的确定；HCN，CICN，BrCN，ICN，C2N2和C2H2等分子在298K的熵值计算，对光谱研究均具有指导意义。他在开展光谱基础研究的同时，就注意了这门学科在物理化学研究中的应用。他在硫氰酸酯和异硫氰酸酯的吸收光谱考察中，基于每个分子具有两个连续吸收区而求出两种解离能，并认为解离成烷基或芳基，硫氰酸基或异硫氰酸基，是初始光化学过程。在装备了红外光谱仪以后，他又开展了红外与紫外在化学反应中的应用。开创了我国多原子分子光谱研究的新局面。有些工作是对国际化学界的贡献。
　　“七七事变”后，日军大举侵华，中央研究院化学所决定迁往云南昆明。1938年夏，吴学周随所搬迁，辗转万里，千辛万苦保存好图书和仪器。鉴于在迁所过程中表现出的组织管理才能和献身科学的精神，中央研究院蔡元培院长委任他为代理所长，主持筹建科学实验馆。在短短的六个月内，建成了临时实验馆，一年以后，永久性实验馆又告落成。这一时期，吴学周为建馆呕心沥血，勘察设计、四处联系、多方奔走，大部分精力消耗在事务性的工作中，这种精神倍受同行友好赞誉。由于经费、试剂和仪器等原因，气体吸收光谱研究无法进行，吴学周改为从事溶液和液体光谱研究，同时开展反应动力学研究，着重矿产资源的开发利用。抗日战争胜利后，中央研究院化学所迁回上海，吴学周担任该所代所长，兼上海交通大学和上海医学院教授，讲授物理化学，直到上海解放。中华人民共和国成立后1个月，中国科学院成立，吴学周被任命为中国科学院化学研究所所长。此前，于1949年7月，他参加了中华全国第一次自然科学工作者代表大会筹备委员东北参观团，东北地区的资源和工业建设给他留下了深刻印象。1950年，中国科学院郭沫若院长电邀吴学周来京，请他与严济慈、武衡等一起去东北组建科学院东北分院，并对吴学周说：“毛主席提出要建设好东北，你们迁一部分人去那里怎样?”他毫不犹豫地回答：“可以。”上海物理化学研究所的30多名科技人员在吴学周带领下来到长春，于1954年与长春综合研究所合并，成立了中国科学院应用化学研究所，他被任命为所长。办好研究所和发展化学学科，人才是关键，吴学周领导组织了学习班，其中举办了54个单位参加的“光谱分析学习会”，为全国培养了大批科技骨干。1958年创办了长春化学学院和附设的化学学校与技工学校，由唐敖庆、钱保功、孙家钟、吴钦义等著名教授为光谱班讲课，先后为科研单位和高等院校培养了100多名磁共振、分子光谱、原子光谱和X衍射结构研究人员。1978年，吴学周以分子光谱专家的身份冷静分析了我国在这个领域的状况，注意到进口光谱仪器很多，但分子光谱研究的论文却寥若星晨，有学术创见的论文则更少，存在着忽视理论和基础研究的倾向。于是在他的倡导、筹备和主持下，受中国化学会的委托于1980年在长春举办了分子光谱基础理论学习讨论班，江元生、胡皆汉、王宗明、辛厚文等专家参加了讲学和讨论，年近80高龄的吴学周，对激光产生的理论与实践背景、激光拉曼光谱的进展等问题，做了非常精辟而生动的讲演。吴学周认为，办好研究所要抓三件大事，一是选择好研究课题，二是要有一支训练有素具有高科学水平的研究队伍，三是具备良好的实验设施。而确立研究方向是关键。他借鉴国内外的经验，根据国家建设的需要和科研发展的趋势，对该所的研究方向不断进行调整和更新。先后建立了超纯物质及稀土元素分析、辐射化学和激光化学等十余个新的研究室，使中科院长春应用化学研究所逐渐形成包括无机化学、分析化学、物化与结构、有机高分子四大中心的综合研究机构，并先后组织力量在合成橡胶、塑料、粘胶剂、稀土材料、电分析化学、有机结构、痕量分析、催化和激光分离同位素等多方面攻关，取得很大的成绩。吴学周在建所和研究工作的业绩和成就，正如他在1983年10月31日逝世后，他在德国的朋友、诺贝尔奖得主G 赫兹堡教授从加拿大打来的唁电中所写“他在应用化学方面的后期工作，包括长春(应化)所的建立，将成为他事业的丰碑。”
　　吴学周自1939年开始，曾10次被选为中国化学会理事或常务理事，并担任过该会物理化学委员会主任委员。1948年当选为中央研究院院士，1957年被任命为国务院科学规划委员会化工专业组副组长，1978年由国家科委聘为化学组成员，1979年兼任中国科学院环境化学研究所所长，1980年任中国科学院环境委员会副主任，同年又当选为吉林省科协主席、担任过《中国大百科全书·环境科学卷》主编，《分析化学》、《应用化学》和《应化集刊》等出版物的主编。对发展祖国科学、繁荣学术做了许多组织领导工作。吴学周还是九三学社吉林省委员会创始人之一，长期担任九三学社长春市委员会主任，并于1956—1983年任九三学社中央委员会常务委员。曾任吉林省政协副主席，省人大常委会副主任，全国政协委员，全国人大第二、三、五、六届代表。