Ngô Bảo Châu sinh ngày 28 tháng 06 năm 1972 tại Hà Nội, miền Bắc Việt Nam. Thời niên thiếu, ông là học sinh Trường Thực nghiệm Giảng Võ, Trường THCS Trưng Vương, và sau đó học tại khối chuyên toán Trường Trung học phổ thông chuyên Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Ông đã hai lần đoạt huy chương vàng Olympic Toán học Quốc tế tại Australia năm 1988 và Cộng hòa Liên bang Đức năm 1989, và cũng là người Việt Nam đầu tiên giành 2 huy chương vàng Olympic Toán quốc tế.

Là sinh viên Trường Đại học Paris VI (Université Pierre et Marie Curie) và Trường Sư phạm Paris (École normale supérieure Paris, ENS Paris) từ năm 1992 đến năm 1994, rồi sau đó là sinh viên cao học và nghiên cứu sinh của Trường Đại học Paris XI (Université Paris-Sud 11) dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Gérard Laumon, Ngô Bảo Châu bảo vệ Luận án tiến sĩ năm 1997, trở thành nghiên cứu viên của Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (CNRS) từ năm 1998, lấy bằng Habilitation à Diriger les Recherches (HDR) năm 2003 và sau đó được bổ nhiệm là giáo sư toán học tại Trường Đại học Paris XI năm 2004. Cũng trong năm này, ông được trao tặng giải Nghiên cứu Clay của Viện Toán học Clay cùng với Giáo sư Gérard Laumon vì đã chứng minh được Bổ đề cơ bản cho các nhóm Unita. Năm 2005, khi được 33 tuổi, Ngô Bảo Châu được nhà nước Việt Nam phong đặc cách hàm giáo sư và trở thành vị giáo sư trẻ nhất của Việt Nam tính đến thời điểm đó.^[8]

Năm 2007, ông đồng thời làm việc tại Trường Đại học Paris XI, Orsay, Pháp và Viện nghiên cứu cao cấp Princeton, New Jersey, Hoa Kỳ^[9]. Trong năm 2008, ông công bố chứng minh Bổ đề cơ bản cho các đại số Lie hay còn gọi là Bổ đề cơ bản Langlands. Cuối năm 2009, công trình này đã được tạp chí Time bình chọn là 1 trong 10 phát minh khoa học tiêu biểu của năm 2009.^[10]

Với các công trình khoa học của mình, Giáo sư Ngô Bảo Châu được mời đọc báo cáo trong phiên họp toàn thể của Hội nghị toán học thế giới 2010 tổ chức ở Ấn Độ vào ngày 19 tháng 8 năm 2010.^[11] Tại lễ khai mạc của Hội nghị này, giáo sư đã được tặng thưởng Huy chương Fields.^[12] Năm 2010 cũng là năm ông nhập quốc tịch Pháp nhưng vẫn tiếp tục giữ quốc tịch Việt Nam^[13][14]. Ông tranh thủ nhập tịch Pháp khi tin rằng mình sắp nhận huy chương Fields vì ông muốn vinh danh của mình cũng đem lại vinh dự cho các nhà toán học Pháp.^[15] Kể từ ngày 1 tháng 9 năm 2010, ông là giáo sư tại Khoa Toán Trường Đại học Chicago^[16]. Sau khi được danh dự nhận giải Fields, ông phát biểu: "Đến một lúc nào đó, bạn làm toán vì bạn thích chứ không phải để chứng tỏ một cái gì nữa”. Ông cũng nói thêm rằng mình nghiên cứu toán học không phải vì đam mê giàu có hay nổi tiếng.

Ngô Bảo Châu sinh ra trong một gia đình trí thức truyền thống, ông là con trai của Giáo sư, Tiến sĩ khoa học ngành cơ học chất lỏng Ngô Huy Cẩn, hiện đang làm việc tại Viện Cơ học Việt Nam. Mẹ của ông là Phó Giáo sư, Tiến sĩ dược Trần Lưu Vân Hiền, công tác tại Bệnh viện Y học cổ truyền Trung ương, Việt Nam.^[2]

Giáo sư Ngô Bảo Châu lập gia đình năm 22 tuổi với Nguyễn Bảo Thanh, là người bạn gái cùng học thời phổ thông^[17]. Đến tháng 8 năm 2010, hai người có với nhau ba người con gái^[18].