吴沛宜教授是变质量系统热力学的主要倡导者和实践者，对变质量系统热力学的基本规律、理论计算与建模以及工程应用方面进行了大量而系统的研究，为工程热力学开拓了一个新的分支，成果丰硕。
吴沛宜教授在脉管式制冷机领域获得了处于国际领先水平的研究成果，指导研究生开展相关工作，提出了双向脉管制冷机的概念，并经在中科院低温所的实验证明了单级双向进气的脉管制冷机达到了42K的当时世界最低温度，以后被国际学术界称为第三代脉管制冷机。“脉管制冷机理论和结构的重要发展”项目荣获1999年国家自然科学四等奖。他所指导培养的多位研究生目前已经成为国际上著名的研究小型低温制冷机的著名的专家。
吴沛宜教授在国际上率先开展了微尺度流动与传热研究，八十年代初期在美国斯坦福大学访学期间，与美国导师Little教授合作首次发表了对于尺度在几十到几百微米通道内气体流动阻力及传热的测定结果，是该领域的经典性文章，此后微细通道内流动与传热研究在全世界蓬勃开展。
吴沛宜教授积极开展教学改革工作，曾任教育部热工课程教学指导委员会委员；作为
西安交大热工教研室三位获奖代表人之一，1989年获得我国首届国家级优秀教学成果奖特等奖。
吴沛宜教授论著丰富，出版了“变质量系统热力学及其应用”等专著，在Cryogenics等国际期刊发表学术论文10余篇，以及在工程热物理学报等国内期刊发表学术论文40余篇。拥有“双向进气可逆脉管制冷机”等国家专利。