1969年，吴子牛初中毕业后到农村插队落户。1972年，进入乐山地区文艺学校学习，毕业后在乐山地区文工团从事创作和演出。1978年，进入北京电影学院导演系学习。
1982年，毕业后担任潇湘电影制片厂的导演。1983年，执导个人首部电影《候补队员》，该片获得厄瓜多尔基多国际电影节儿童电影大奖、第4届中国电影金鸡奖特别奖。1984年，执导剧情电影《喋血黑谷》，该片被评为新时期十年优秀影片奖。
1985年，吴子牛获得中国第一批“五一劳动奖章”、“全国优秀文艺工作者”称号，同时被评为“省劳动模范”；同年，担任湖南省青年联合会的副主席；同年，由其执导的战争电影《鸽子树》上映。
1986年，执导由陶泽如、李羚合作主演的剧情电影《最后一个冬日》。1988年，执导由陶泽如、孙敏共同主演的剧情电影《晚钟》，他凭借该片获得第9届中国电影金鸡奖最佳导演奖，该片获得第39届西柏林国际电影节银熊奖；同年，由其执导的剧情电影《阴阳界》上映；此外，还担任了剧情电影《女刺客》的编剧，该片由蔡继渭执导；
1989年，吴子牛被选入中国电影家协会理事会；同年，执导由刘佳、刘劲、倪大红联袂主演的古装剧《大磨坊》。1991年，执导由刘仲元、陶泽如、张立维联合主演的剧情电影《太阳山》。1993年，由其执导的动作电影《火狐》上映，该片获得第44届柏林电影节评委会最佳推荐奖、第10届法国蒙特彼埃电影节金熊猫大奖。
1996年，担任第16届中国电影金鸡奖评审委员会委员；同年，执导战争电影《南京大屠杀》，该片以1937年发生于中国南京的战事为背景，描写了一个中日结合的家庭在南京大屠杀中的遭遇。1998年，担任第6届中国电影家协会理事。1999年，吴子牛获得国务院专家津贴；同年，执导由何政军、陈坤等共同主演的剧情电影《国歌》，该片入围第19届中国电影金鸡奖最佳故事片奖。2000年，作为访问学者在美国纽约大学、哥伦比亚大学、坦普尔大学、索斯摩大学进行电影交流和讲学活动；同年，执导由赵文卓主演的影片《英雄郑成功》，该片荣获第七届中国电影华表奖优秀故事片奖；此外，还执导了剧情电影《纪委在行动》。2002年，由其执导的古装剧《天下粮仓》播出；同年，执导由丁海峰、金玟、洪宇宙联袂主演的古装剧《热血忠魂之独行侍卫》。
2004年，执导由聂远、洪宇宙合作主演的古装剧《汗血宝马》；同年底，在澳大利亚墨尔本的联邦广场举办了以“战争与和平”为主题的个人影展，这是第一次中国导演在澳大利亚举办的个人影展。2005年，中国电影百年华诞之际，吴子牛获得国家颁发的“中国电影百年百位优秀电影艺术家”称号；同年，担任第25届中国电影金鸡奖评审委员会委员。
2006年，执导由宋佳、万弘杰、蒋欣联袂主演的古装剧《大明天下》。2007年，执导的古装剧《贞观长歌》首播，该剧由唐国强、张澜澜、聂远联袂主演。2009年5月21日，执导的励志剧《大国医》首播，该剧以河南洛阳中医正骨传奇发展史为背景；12月23日，由其执导的民国剧《大瓷商》播出，该剧由夏雨、伊能静合作主演；同年，执导由陈宝国、张光北共同主演的警匪剧《天地正气》；此外，还担任了剧情电影《唐卡》的摄影师。
2010年，执导的革命剧《红七军》播出。2011年12月19日，由其执导的古装剧《西津渡》播出，该剧以镇江千年古街西津渡为背景。2014年，执导由马少骅、萨日娜共同主演的传记剧《历史转折中的邓小平》，他凭借该剧入围第21届上海电视节最佳导演奖，该剧还获得了2016年第28届金鹰奖“优秀电视剧”奖。2015年，执导由宗峰岩、赵文瑄合作主演的古装剧《大舜》。
2017年2月，吴子牛获得第11届中国电视制片业“十佳电视剧导演”奖；同年，执导以清官于成龙的为官经历为主线的古装剧《于成龙》，该剧荣获第十四届精神文明建设“五个一工程”奖。2018年10月2日，执导的农村剧《右玉和她的县委书记们》播出，该剧由杨铮、缪婷茹、黄品沅联合主演。
2019年10月，执导电视剧《希望的大地》播出。同年，执导电视剧《可爱的中国》播出，该剧荣获第十五届精神文明建设“五个一工程”奖。
2022年7月29日，吴子牛监制的电影《四·二九绝地突围》在河北省故城县举行开机新闻发布会。
