咸丰十年（1860），太平军、捻军合扰皖北，吴毓兰以从九品的身份，和哥哥吴毓芬训练团练，助剿凤阳、颍州之间，跟随官军解寿州之围，擢县丞。

同治元年（1862），跟随李鸿章救援上海，参与攻克柘林、奉贤、南汇、川沙、青浦、金山，擢知县。

同治二年（1863），攻克嘉定，解北新泾、四江口之围，加同知衔，领华字副营。击败太平军于吴江八斥、牛尾墩、同里等处，进克平望、黎里，调守嘉善。

同治三年（1864），跟随总兵程学启攻打嘉兴，战于合欢桥。吴毓兰率军枪船冒险渡河，先破太平军的关卡，绕出敌营后，攻克之。进抵城下，太平军以巨炮据守河口，程学启受伤，吴毓兰率先锋攻击越加厉害，掘河口架桥，渡过大军，昼夜围攻，轰陷城垣百余丈，太平军仍然负隅顽抗，吴毓兰击退黄文金的援军，攻克嘉兴。吴毓兰沿着云梯，首先登城，擢直隶州知州，赐花翎。调守溧阳，降军驻扎于城中，形势岌岌可危，突然有金坛的太平军至，吴毓兰与吴毓芬商议，乘敌人刚到未稳而击破他们，于是设伏诱敌。太平军败走乌鸦岭，吴毓兰与吴毓芬两路夹击，擒斩无数。穷追至建平境内，阵斩敌将林得英、黄有才，生擒黄金龙。溧阳平定后，调守长兴。大军已破湖州，吴毓兰侦查到敌将窜逃泗安镇，与吴毓芬夜率健卒八百冒雨疾走，潜渡观音桥，太平军未料到清军已至，于是放弃粮械而走。追至泗安，降者数千，叙功擢知府。