2002年進(jìn)入杭州市體育中心練足球，2008年進(jìn)入國(guó)家少年足球隊(duì)。

從2011年起，吳海燕一直穩(wěn)坐中國(guó)女足主力右后衛(wèi)的位置。自從2003年女足世界杯國(guó)門(mén)趙燕退役后，吳海燕是第一個(gè)杭州女足國(guó)腳。

在2014年2月的永川女足四國(guó)賽上，吳海燕正式接班浦瑋成為中國(guó)女足新任隊(duì)長(zhǎng)。2014年加盟韓國(guó)聯(lián)賽。效力于韓國(guó)Sport Toto隊(duì)。2014年5月，獲得女足亞洲杯季軍。

2015年5月，代表中國(guó)女足參加2015年加拿大女足世界杯。以隊(duì)長(zhǎng)身份幫助球隊(duì)打進(jìn)1/4決賽，最終0-1負(fù)于美國(guó)隊(duì)無(wú)緣四強(qiáng)。2015年開(kāi)始效力山東女足。隨隊(duì)征戰(zhàn)全國(guó)女足甲級(jí)聯(lián)賽。2015年底山東女足奪得女甲、女足錦標(biāo)賽桂冠、女足超霸杯冠軍

2016年2月入選中國(guó)女足出征奧預(yù)賽的20人名單。2016年隨山東女足征戰(zhàn)女超聯(lián)賽。7月18日，2016年里約熱內(nèi)盧奧運(yùn)會(huì)中國(guó)奧運(yùn)代表團(tuán)成立，吳海燕名列出征足球隊(duì)女運(yùn)動(dòng)員名單。最終中國(guó)女足在里約奧運(yùn)會(huì)女足1/4決賽中0-1負(fù)于德國(guó)女足，止步八強(qiáng)。

2016年12月28日，被體育總局授予2016年度體育運(yùn)動(dòng)一級(jí)獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

2017年12月代表中國(guó)女足出戰(zhàn)東亞杯賽事。

2018年2月12日，女超聯(lián)賽新軍武漢江大女足繼此前宣布簽下巴西國(guó)腳比安卡后，在內(nèi)援方面又有新的進(jìn)展，包括王霜，吳海燕，王英和朱鈺在內(nèi)的四名國(guó)腳將在新賽季加盟球隊(duì)。

2018年4月代表中國(guó)女足出戰(zhàn)女足亞洲杯。8月10日，中國(guó)足協(xié)公布了女足征戰(zhàn)亞運(yùn)會(huì)20人名單，吳海燕入選。8月31日，2018年雅加達(dá)亞運(yùn)會(huì)女足決賽，中國(guó)隊(duì)0-1負(fù)于日本隊(duì)獲得亞軍，吳海燕首發(fā)出場(chǎng)。

2019年1月20日，跟隨中國(guó)國(guó)家女子足球隊(duì)獲得梅州五華國(guó)際女足錦標(biāo)賽冠軍。

2019年3月18日，入選中國(guó)國(guó)家隊(duì)的最新一期女足大名單。

2019年4月7日，跟隨中國(guó)女足獲2019?CFA中國(guó)之隊(duì)·武漢國(guó)際女足錦標(biāo)賽冠軍。

2019年4月，入選中國(guó)足協(xié)公布的新一期女足名單。

2019年5月27日，吳海燕入選中國(guó)女足參加2019年法國(guó)女足世界杯的大名單。

2019年9月24日，入選中國(guó)女足兩階段（第二階段）選拔集訓(xùn)名單。

2019年10月26日，跟隨中國(guó)隊(duì)獲第七屆世界軍人運(yùn)動(dòng)會(huì)女足比賽亞軍。

2019年11月1日，入選中國(guó)國(guó)家女子足球隊(duì)新一期集訓(xùn)名單。

2019年11月10日，跟隨中國(guó)女足獲女足四國(guó)賽冠軍。

2019年11月15日，入選中國(guó)足協(xié)官方公布的新一期女足集訓(xùn)名單。

2019年12月4日，入選中國(guó)女足東亞杯25人大名單。

2019年12月17日，幫助中國(guó)女足獲女足東亞杯第3。

2019年12月，入圍2019中國(guó)女子金球獎(jiǎng)。

2020年10月11日，跟隨武漢江大女足獲2020賽季中國(guó)足協(xié)女超聯(lián)賽冠軍。

2020年疫情期間，亞足聯(lián)及吳海燕等多位在亞洲具有影響力的球員共同發(fā)起了BreakTheChain公益活動(dòng)，以鼓勵(lì)世界各地的人們團(tuán)結(jié)起來(lái)，積極應(yīng)對(duì)疫情。