吳于廑的學習經歷，為他日後進行世界史研究奠定了基礎。在東吳大學、南開大學經濟研究所、哈佛大學求學期間，除研讀歷史外，還廣泛修讀經濟、政治、生物、物理，以及天文學各科，擁有豐富的知識。同時他運用比較方法，探討東西方歷史，撰寫文章將春秋戰國時代君主與士的關係與西歐封建時代後期王權與城市新興資產階級的關係作出比較，並且把西歐中世紀前期的君權和法律關係與周代的諸侯權力和法律關係互相對比。此外，吳于廑執教武漢大學，主要負責世界通史古代部分的教學工作，同時又與其他學者合作編寫世界歷史教材。為了滿足教學需要，吳于廑不得不開展世界歷史研究，在研究過程中，逐漸對世界史這個學科的教學目標和教授內容產生了獨特見解，兼且對如何進行世界史研究，提供了富啟發性的意見。

在世界歷史的教授內容與目標方面，吳于廑表示「世界歷史是歷史學的一門重要分支學科，內容為對人類歷史自原始、孤立、分散的人群發展為全世界成一密切聯繫整體的進程進行系統探討和闡述。世界歷史學科的主要任務是以世界全局的觀點，綜合考察各地區、各國、各民族的歷史，運用相關學科如文化人類學、考古學的成果，研究和闡明人類歷史的演變，揭示演變的規律和趨向。」

近現代的世界歷史著作，英國劍橋大學出版的《劍橋上古史》、《劍橋中古史》、《劍橋近代史》三書，還有蘇聯科學院主編的多卷本《世界通史》可以作為代表，它們不約而同採取「西方中心論」觀點，側重論述歐洲的歷史發展，並且以歐洲史的分期作為世界史的分期。吳于廑對此作出批判，提倡「以世界為一全局」的觀點，探討人類世界的歷史。他說「解放前後分別引進我國的兩種世界歷史，雖然體例不盡相同，卻具有同樣一種中心論。歐洲的史學家們習慣於以歐洲為主體，囿於傳統，而更多地是囿於種族和階級成見，不能以世界為一全局，因而也就不能如實地考察世界的歷史。我們要編寫一部新的、具有特色的世界史，首先得破除自古以來就有的各種中心論。」

吳于廑亦反對將世界各國歷史滙集一起的做法，他說「世界史的編寫，當然離不開國別史、地區史以及各類專史，離開國別史和地區史的研究成果，世界史的編寫就將失去必要的依據。但是必須看到，世界史並不等於國別史和地區史的總和。像過去那樣，不管是由外國引進的，還是由國內學者編寫的，按一種歷史分期的架構，把各國和各地區的歷史滙成或大或小的總集，那還不算是世界史，至少不是一部好的世界史。」

除批評外，吳于廑亦提供三個世界史的研究方向，為世界史研究工作者給予指引。第一、對某一特定時期不同地區的歷史進行綜合比較研究，考察這個時期世界歷史的全局發展。第二、開展關於特定地區和世界歷史全局之間相互關係的研究。第三、有一些重大的歷史運動，許多國家或地區都曾經歷過，是歷史發展到一定的階段的共同現象。從世界歷史的全局說，對這類共同現象進行綜合比較研究，必然有利於闡明一個時期的世界歷史的潮流。至於研究課題，吳于廑亦有明確說明，他指出：

三四百年來，大體自易北河口迄萊茵河一線以外之東，都在經歷這樣的改造。這是社會進步階級、階層和人民為擺脫落後的農本經濟及其傳統統治的改造，亦即工業化和適應工業化的經濟政治體制的改造。俄國十月革命為這個改造在政治和經濟上都指出新方向，帶來新速度，但這個改造至今還沒有遍及全世界，世界還處於這個改造過程中。我想，這個改造過程，以及在這個過程中的矛盾、鬥爭、波瀾起伏，應當是歷史發展為世界史的一個必須研究和說明的主題。

當然吳于廑更身體力行，創造世界史研究成果。他與周一良主編的《世界通史》於1962年出版。該書一套三冊，分為上古、中古、近代三個部分，屬於大學教科書性質。周一良為悼念吳于廑而撰寫了〈平生讀史嘆無邊──紀念老友吳于廑〉一文，回憶《世界通史》的產生經過，周一良表示：

五十年代末，中宣部、高教部共同領導了高校文科教材編寫工作。歷史組由翦伯贊任組長，鄭天挺先生和我任副組長，由我負責世界史。當時名為在群眾所搞教材的基礎上修訂，實際是由各段主編（上古齊思和，中古朱寰，近代張芝聯、楊生茂、程秋原）另起爐竈。根據吳寄寒同志建議，調吳于廑來京參加《世界通史》主編工作。這部通史框架仍不脫蘇聯教材窠臼，但材料較為豐富，論點較為平實，加強了亞非拉部分，增加了中國與外國文化交流章節，比蘇聯教材多少有所改進。我們兩人與各段主編通力合作，一起通讀定稿。全書論點之商榷，資料之核實，文字之打磨，以于廑同志出力為多。1962年出版後，受到各校歷史系師生的歡迎。1979年在于廑同志主持下，此書又作了大幅度修訂，臻於完備，獲1988年教材一等奬。

李榮建在〈世界史學家吳于廑〉一文中，闡明《世界通史》內容及其學術意義，就是「這部《世界通史》以時間的延續為經，以地區的分佈為緯，比較系統地叙述了整個世界（中國史部分略）從人類的起源到第一次世界大戰結束的歷史，是新中國成立以來第一部綜合性的世界歷史著作，它填補了當時我國高等學校世界通史教科書的空白，在我國世界史學科發展史上具有里程碑的意義。」此外，吳于廑與周一良又主編四卷本《世界通史資料選輯》，作為《世界通史》的輔助教材，並且單獨主編《大學世界歷史地圖──從地圖看世界歷史行程》（北京：人民出版社，1988年），滿足高等院校歷史教學的需要。之後吳于廑再接再厲，與齊世榮主編《世界史（近代部分）》上、下卷（北京：高等教育出版社，1992年）。

1980年代，吳于廑在武漢大學設立十五十六世紀世界史研究室，先後編輯《十五十六世紀東西方歷史初學集》（1985年）、《十五十六世紀東西方歷史初學集續編》（1990年）、《十五十六東西方歷史初學集三編》（1993年），收錄多篇有關中國、日本、英國、德國的政治史、經濟史、社會史、宗教史論文。至於選擇探討這二百年世界史的原因，吳于廑給予解釋：

分散存在的各地區，彼此閉塞，歷經幾千年依然是各自孤立的王國。到了十五、十六世紀，這個形勢為之一變。長期穩定的、幾乎被認為是靜止的農本經濟，在一些主要地區，滋生出越來越明顯的否定它自身的力量。這個力量是包括農業和手工業在內的生產商品化，生產直接消費品的經濟由此轉向生產商品的經濟。商品流通打破了農本經濟的閉塞，撤除了一個一個足衣足食小天地的藩籬，用市場的網脈把它們聯繫溝通起來，由稀疏而繁密，由地方而全國，由國內而國外。在亞歐大陸的東西兩端，程度不一地在發生着這一變化。

吳于廑進一步強調：「不研究十五、十六這兩個世紀亞歐大陸東西方變化的相同與不同，就難以理解四百年來的世界，也就難以理解世界的當前。研究這兩個世紀變化的各個方面，是從全局考察世界歷史的一個必要的開端。」

與此同時，吳于廑撰寫了〈世界歷史上的遊牧世界與農耕世界〉、〈世界歷史上的農本與重商〉、〈歷史上農耕世界對工業世界的孕育〉、〈亞歐大陸傳統農耕世界不同國家在新興工業世界衝擊下的反應〉四篇文章，探討歐亞大陸遊牧民族南移對農耕地區的衝擊、亞歐大陸東西方農本經濟的共性與特點、西歐農工業在孕育工業中的地位和作用，以及亞歐大陸傳統農耕國家對新生工業世界衝擊的回應。周一良肯定這些作品，認為它們是「理論上富於開創性的論著。」