Ở Bắc Kinh, Ngô được bổ nhiệm làm giáo sư và phó trưởng khoa cơ học của Đại học Thanh Hoa, rồi thành lập chương trình đầu máy turbo đầu tiên của Trung Quốc ở Thanh Hoa vào năm 1956.[2] Một năm sau, ông thành phòng nghiên cứu về động cơ turbo và đốt trong tại Viện cơ khí thuộc Viện Khoa học Trung Quốc (CAS). Ông được bầu làm viện sĩ của CAS vào năm 1957. Khi Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc được thành lập vào năm 1958, ông giữ chức trưởng khoa Vật lý và Nhiệt động lực học.[2]

Do thẳng thắn phê phán Đại nhảy vọt, ông bị tố là viện sĩ "cánh hữu" vào năm 1958.[2] Một năm sau, ông được phục hồi chính trị và bổ nhiệm làm phó giám đốc Viện cơ khí thuộc CAS vào năm 1960.[1][2] Chương trình nghiên cứu của ông là một trong những chương trình bị xóa bỏ trong Nạn đói lớn. Trong Phong trào Giáo dục Xã hội chủ nghĩa, ông được cử làm công việc chân tay ở vùng nông thôn Hông Đồng, Sơn Tây trong ba năm.[2] Khi Cách mạng Văn hóa nổ ra vào năm 1966, Ngô được Thủ tướng Chu Ân Lai và các sĩ quan Không quân Quân Giải phóng Nhân dân bảo vệ vì họ đánh giá cao những cống hiến khoa học của ông. Ông sống sót an toàn qua thời kì sóng gió, song nghiên cứu của ông lại bị ngừng hoàn toàn cho đến năm 1971, khi những hỗn loạn đầu của cuộc cách mạng lắng xuống.[2]

Sau khi kết thúc Cách mạng Văn hóa kết thúc vào năm 1976 và bình thường hóa quan hệ Mỹ-Trung vào năm 1979, Ngô dẫn đầu một nhóm nhà khoa học Trung Quốc ghé thăm Hoa Kỳ lần đầu tiên kể từ khi ông về nước vào năm 1954.[2] Năm 1980, CAS thành lập Viện Nhiệt động lực học Kỹ thuật (IET), với Ngô làm giám đốc sáng lập.[2]

Ngô giành Giải thưởng Khoa học Tự nhiên Quốc gia (Hạng hai) vào các năm 1957 và 1982. Ông được CAS trao Giải Phát hiện lớn vào năm 1975 và Giải Vàng từ Hiệp hội kỹ thuật cơ khí Trung Quốc.[2] Từ năm 1981 đến 1992, ông làm chủ tịch điều hành của CAS. Ông được bầu vào Ủy ban Thường vụ Quốc hội ở các kì Đại hội Đảng thứ 6 và thứ 7, tại vị từ năm 1983 cho đến khi mất vào năm 1992.[2][4]