吴立新致力于大洋环流与气候研究，在大洋环流基本理论和气候系统年代际变化方面取得了系统的创新性研究成果，目前在Nature等国际权威杂志上发表SCI论文100余篇，被Science等杂志引用近5000次，特别是近年来在Nature、Nature Climate Change等系列顶级期刊发表论文13篇，在跨尺度海洋动力过程及海气相互作用领域具有全球影响力。主要研究成果：（1）发现20世纪全球副热带大洋西边界流区“热斑”现象，提出全球增暖导致西边界流加速是其主要形成机制，推动传统西边界流研究向物理、生态、渔业等交叉方向发展；（2）创建以“部分耦合”为核心的耦合模式动力实验体系，系统揭示中纬度海-气耦合与副热带-热带相互作用在气候年代际变化的作用机理，被国际同行广泛运用；（3）开拓利用国际Argo观测来揭示深海大洋混合时空分布及变化的新路径，阐明风驱动深海大洋混合的能量通道，澄清了长期以来有关风能否驱动深层大洋混合的争议；（4）阐明南北半球热盐环流变异影响热带海气过程的动力学路径，为认识全球变化对极端气候事件的影响提供理论支撑。
吴立新坚决拥护中国共产党的领导，坚持中国特色社会主义道路，牢牢把握世界观、人生观、价值观总开关，时刻提升自我约束和拒腐防变能力，谦虚谨慎、坚持原则、秉公办事。作为学科带头人，吴立新悉心培养海洋科学领域高素质后备人才近50人，率领团队成为物理海洋学科第一个国家级创新群体及科技部资助的首个海洋领域创新团队。他作为首席科学家主持承担了多项国家级重大项目，个人主持研究经费累计超过2亿元，包括科技部的973计划项目、全球变化计划重大项目、以及国家自然科学基金委的重大项目和重大仪器研发专项“面向全球深海大洋的智能浮标”，这是我国海洋领域获批的第一个国家重大科研仪器研制项目，旨在发展新型海洋智能浮标，构建全球海洋物联网。2018年，吴立新牵头组织并担任指导专家组组长的国家自然科学基金重大研究计划“西太平洋地球系统多圈层相互作用”正式获批实施，实施周期8年，经费约2.5亿元。西太计划是获批的海洋领域第1个深海大洋的自然科学基金重大研究计划，也是“十三五”地学领域实施的第2个重大研究计划。
作为我国首个进入试点运行的国家实验室首届主任，带领实验室勇于改革、奋发努力，短短三年内实现了实验室跨越式发展。吴立新大力推进我国深海大洋观测网、大洋钻探船、E级超算、海上综合试验场等大科学设施建设，领导实施“透明海洋”计划，保障海洋强国和海上丝绸之路建设。围绕“一带一路”倡议，领导团队构建了全球最大的区域海洋观测和高分辨率海洋-大气耦合预报系统，该系统提供从大气到深海的实施观测及预报数据，服务海防、渔业、交通运输、防灾减灾等方面的需求。2018年6月12日，习近平总书记视察海洋试点国家实验室，充分肯定了海洋试点国家实验室在海洋科技创新和经略海洋方面的建设成绩。
联合50位院士提交的《加快建设中国大洋钻探船的建议》，获习近平总书记的重要批示；关于围绕解决我国“水下国门洞开”难题、加紧水下智能装备集群研发的建议，得到时任国务院副总理张高丽的批示。
吴立新积极推动国际合作，目前担任国际气候变化及可预测性组织（CLIVAR）最高科学指导委员会委员、德国“未来海洋”卓越计划顾问。发起了边界流动力学国际系列会议，并作为联合主席实施了联合国海委会下的“黑潮延伸体海气相互作用及气候效应”国际合作项目和联合发起了由我国海洋科学家主导的CLIVAR“西太平洋环流与气候试验”国际大科学计划。2014年他发起“全球海洋高峰论坛”，组织全球海洋顶尖科研院所首脑聚集青岛，共同探讨海洋可持续发展，达成《未来海洋青岛共识》。