吴莉莉(原名吴光伟）1911年出生于河南，两岁时随父母迁居北京。父亲当时是北京盐务局局长，吴莉莉是家中的第三个女儿，她有两个姐姐、一个妹妹和一个弟弟。兄弟姐妹都接受过良好的教育。她就读的小学和中学都是北平的教会学校，在学校里，她表现出了很高的爱国热情。

1926年3月18日北平学生举行抗议段祺瑞政府的示威游行，在北平经世中学读书的吴莉莉和同学们冒雨等候在段祺瑞政府门前，得到的答复却是有的学生被警察打伤，还有一名学生被枪杀。后来，她转学到上海，在一家商学院的女生部专攻英语。
她学习很用功，在班里得过最高奖励。离开南京后，吴莉莉又回到北平，大部分时间在图书馆看书。1935年底，一二九运动爆发后，北平地区的许多热血青年投笔从戎。张研田和吴莉莉也先后来到陕西西安，投奔陕西绥靖公署主任杨虎城，加入到救亡大军中。张研田任杨虎城的参议，吴莉莉则在陕西省政府民政厅当职员，是办公室里唯一的女性，月薪60元。
震惊中外的西安事变之后，吴莉莉就参加了西北救国联合会妇女部的工作。通过西北救国联合会的介绍，满怀革命理想与激情的吴莉莉如愿以偿地来到了延安。

1937年3月底，美国合众社驻天津记者厄尔·利夫到延安采访。吴莉莉受命出任其采访毛泽东、朱德时的翻译。完成了给厄尔·利夫当翻译的任务后，吴莉莉又担任了史沫特莱的翻译兼秘书工作。

据史沫特莱记载：“第一天他(朱德)和我一起工作的时候，于黄昏时分，我和我的中文教师兼秘书和翻译、原来是女演员的吴莉莉，在我住的黄土窑洞前面的平台上等他。莉莉的工作是在每逢我的中文水平不能够理解得清楚时，或是朱将军和我用一部分德文也不能传达意思时–这种情况时时出现–便由她从中翻译。”访谈中，遇到朱德不懂的美国文化内容，如著名美国作家马克·吐温，也由吴莉莉从图书馆查找相关资料，并翻译成中文，提供给朱德作参考。吴莉莉的翻译兼秘书工作是很出色的，很令史沫特莱和朱德满意。
1937年5月，埃德加·斯诺的夫人尼姆·威尔斯(又名海伦·斯诺)也以记者身份来到延安采访。她很欣赏吴莉莉在舞台上对人物的塑造，更为生活中吴莉莉高贵优雅又时尚现代的气质所惊讶，于是对请吴莉莉作了专访。海伦·斯诺后来曾这样回忆吴莉莉：“我第一次见到莉莉是在剧院里，当时她正在演出高尔基的《母亲》，并扮演主角。

她当时是延安的明星女演员，不仅有当演员的天赋，而且能够在舞台上独领风骚。她很有教养，温文尔雅，容易接近，女人味十足，卓有魅力，26岁芳龄，已经结婚却并不依赖自己的丈夫，至少当时丈夫不在她的身边。吴莉莉看上去身材健美，脸色红润，皮肤白皙而细腻。她非常美丽。她留着30年代所盛行的齐肩短发，而且卷曲美观。延安的其他妇女则把头发剪得短短的，像个男子。在延安，只有我和莉莉烫发、涂口红，尽管我俩都很谨慎，不敢涂得太重，这也不合延安的习俗。她是抗大学员，空闲时间都在学习……”再后来，就发生了延安早期著名的“吴莉莉事件”。

这起所谓“吴莉莉事件”，缘起于史沫特莱给延安带来的新变化。自称是“大地的女儿”的史沫特莱，不仅在延安采访写作，促成白求恩大夫的援华，而且还倡导组织了灭鼠运动、节育运动，以及声噪一时的交际舞潮流。但是，在延安广受青年人欢迎的交际舞运动，却引起革命队伍里部分经过长征的女同志强烈反对，她们认为男男女女在一起跳舞有伤风化，会使自己的丈夫变坏。最终导致贺子珍冲进史沫特莱住处，与吴莉莉发生肢体冲突。
事后，吴莉莉、贺子珍都觉得自己受了委屈。尤其是吴莉莉，她以一个现代知识女性的自我尊严和权利意识，要求有关方面对此作出裁决，给她一个公道说法。这在党内被称为“吴莉莉事件”。该事件的直接后果是导致毛泽东与贺子珍的感情危机并破裂，最后贺子珍负气出走，史沫特莱和吴莉莉都被“礼送”出延安。这样的结局，是谁都不愿意看到的。
“吴莉莉事件”发生后不久，江青来到了延安，于1938年11月与毛泽东结婚。“吴莉莉事件”的发生，是吴莉莉命运的转折点，此后，她便淡出了人们的视线。其实，毛泽东与吴莉莉的交流，仅限于精神层面。史沫特莱后来对斯诺曾说起毛泽东和她俩交谈时说：“他(毛泽东)说他怀疑从西方小说中读到的那种爱情是否真的存在，它到底是什么样。在他认识的人当中，我似乎是第一个体验过这种爱情的人；他似乎觉得在某些事上若有所失。”史沫特莱还感到，吴丽丽好像在毛的内心深处唤醒了一种微妙的、细软的感情和青春的热望。

每当她与毛讨论罗曼谛克的爱情时，对话似乎是说给原是充当中间人的吴小姐听的。讨论过程中毛做诗，吴当然比史更欣赏毛的诗。她以毛诗中所用的韵律赋诗作答，这使毛很高兴。他们详细讨论未来新社会中的男女关系，这些思想，都进入了以旧诗词的形式写就的诗篇。
离开延安后，吴莉莉先在西安国民政府军事委员会战时工作干部训练团第四团工作，她仍然希望能够回到共产党队伍里来，曾积极向党组织要求过，组织上也安排有关负责同志与她谈过话。但由于复杂的历史原因，她被谢绝在革命阵营之外。
吴莉莉与丈夫张研田感情逐渐不和。在吴莉莉被送离延安之后，张研田带着他的两个孩子，坐飞机去了台湾，并要求他的妻子吴莉莉同去，可吴莉莉却拒绝去往台湾，而是躲到了她的好友雷锦章家中。
在一个月以后，张砚田派人来暴力地砸开了她的好友家门，将她强行带去了台湾。这也像一颗不安的种子，种在两人之间，致使两人感情出现裂痕。吴莉莉在被迫去了台湾后，跟丈夫也不再恩爱如初，丈夫也因为”吴莉莉事件”心生嫌隙。
去到台湾后，夫妻两人感情逐渐趋于冷淡，张研田忙于事业，曾担任台湾驻日的亚东关系协会的理事长、台湾农学院院长等等，为台湾土地改革做出杰出贡献。
吴莉莉在1975年在台湾去世，享年65岁，而张研田最终在1986年去世，在两人均过世后，他们的儿子张小芒死于帕金森病，女儿张小菲在美国生活，是一位经营中药材的富商。