Anh sinh năm 1972 tại Hà Nội. Anh là con trai giáo sư-tiến sĩ khoa học cơ học chất lỏng Ngô Huy Cẩn, hiện đang làm việc tại Viện Cơ học Việt nam. Mẹ anh là phó giáo sư-tiến sĩ Trần Lưu Vân Hiền, công tác tại Bệnh viện Y học cổ truyền Trung ương, Việt Nam.^[3]

Ngô Bảo Châu từng là học sinh Trường thực nghiệm Giảng Võ và trường THCS Trưng Vương, sau đó học tại khối phổ thông chuyên toán trường Đại học Khoa học tự nhiên thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội. Anh đã hai lần đoạt huy chương vàng Olympic toán quốc tế tại Australia năm 1988 vàCộng hoà Liên bang Đức (1989). Anh cũng là người Việt Nam đầu tiên giành 2 huy chương vàngOlympic Toán quốc tế. Ngô Bảo Châu là cựu học sinh Trường Sư phạm (École normale supérieure), Pháp.

Năm 2005, ở tuổi 33, Ngô Bảo Châu được đặc cách cho phong hàm Giáo sư tại Việt Nam và trở thành vị Giáo sư trẻ nhất của Việt Nam tính đến thời điểm hiện tại.^[4]

Năm 2004, anh được trao tặng giải Nghiên cứu Clay của Viện Toán học Clay cùng với Gérard Laumon vì đã có chứng minh được bổ đề cơ bản cho các nhóm Unita.

Năm 2008, anh đưa lên arxiv một chứng minh bổ đề cơ bản cho các đại số Lie.

Cuối năm 2009, kết quả chứng minh bổ đề cơ bản Langlands của Giáo sư Ngô Bảo Châu đã được tạp chí "The Time" bình chọn là 1 trong 10 phát minh khoa học tiêu biểu của năm 2009.^[5]

Ngày 19/8/2010, giáo sư Ngô Bảo Châu là một trong 4 người được trao giải thưởng Fields - giải thưởng toán học cao quý nhất thế giới và trở thành nhà Toán học đầu tiên của Việt Nam giành được giải thưởng này. 

Với các công trình khoa học của mình, Giáo sư Châu được mời đọc báo cáo trong phiên họp toàn thể tại Hội nghị toán học thế giới 2010 tổ chức ở Ấn Độ.^[6]

Hiện anh giữ chức giáo sư Toán tại Đại học Paris XI và làm việc tại Viện nghiên cứu Princeton, New Jersey.^[7] Theo thông báo của Đại học Chicago, Ngô Bảo Châu sẽ làm giáo sư toán học tại trường kể từ 1/9/2010. Trang web của trường Đại học Chicago đăng bài viết có tiêu đề "Nhà toán học xuất chúng chấp nhận lời mời giảng dạy tại Đại học Chicago."^[8]