Ngô Bảo Châu sinh năm 1972 tại Hà Nội. Anh là con duy nhất của Giáo sư tiến sĩ khoa học Ngô Huy Cẩn của Viện Cơ học và Phó giáo sư tiến sĩ Trần Lưu Vân Hiền, công tác tại Bệnh viện Y học cổ truyền trung ương. Anh từng học tại trường Thực nghiệm Giảng Võ, Hà Nội trước khi vào khối phổ thông chuyên toán của Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội, nay là Đại học Quốc gia Hà Nội.
Mùa hè 1988, Bảo Châu tham dự kỳ thi Olympic Toán quốc tế tại Australia và giành huy chương vàng. Mùa hè năm sau anh tiếp tục giành huy chương vàng Olympic Toán quốc tế tại Đức. Cũng trong năm 1989 Châu sang Pháp để học tại Đại học Paris 6. Anh bảo vệ luận án tiến sĩ khi mới 25 tuổi tại Đại học Sư phạm Paris - ngôi trường danh tiếng bậc nhất nước Pháp. Năm 2003, ở tuổi 31, anh hoàn thành luận án habilitation (tương đương tiến sĩ khoa học) tại Đại học Paris 11. Đầu năm sau anh trở thành giáo sư của đại học này.
Vào năm 1994, Bảo Châu kết hôn với người bạn gái từ thời phổ thông. Năm 2004, anh và giáo sư Gerard Laumon - người thầy của anh - cùng nhận giải thưởng nghiên cứu hàng năm của Viện Toán học Clay (Mỹ) dành cho những người đạt thành tựu xuất sắc nhất trong năm nhờ giải quyết một trường hợp đặc biệt của “chương trình Langlands”. Mỗi năm chỉ có một đến hai người được trao giải và Châu là người Việt Nam đầu tiên nhận giải thưởng này.
Sau khi nhận giải thưởng Clay, Bảo Châu được Viện nghiên cứu khoa học cao cấp tại Princeton, Mỹ, mời sang làm giáo sư. Viện này là nơi quy tụ của nhiều nhà toán học và nhà vật lý hàng đầu thế giới, trong đó nhiều người từng đoạt giải Nobel và giải Fields.
Năm 2005, ở tuổi 33, Ngô Bảo Châu được đặc cách phong hàm giáo sư tại Việt Nam. Hiện nay anh là giáo sư trẻ tuổi nhất ở Việt Nam. Một năm sau đó, anh được mời đọc báo cáo tiểu ban tại Đại hội Toán học thế giới tại Madrid (Tây Ban Nha). Anh là người Việt Nam thứ ba có vinh dự này. Trước anh là hai người Việt Nam ở nước ngoài, giáo sư F. Phạm và giáo sư Dương Hồng Phong.
Sau khi chứng minh được “Bổ đề cơ bản”, một giả thuyết then chốt của Chương trình Langlands, anh được trao Giải thưởng Oberwolfach của Đức, Giải thưởng của Viện Hàn lâm Pháp (năm 2007). Công trình của anh đã được tạp chí đại chúng có uy tín Time Mỹ bình chọn là "một trong 10 phát minh khoa học tiêu biểu của năm 2009". Tháng 6 vừa qua, công trình của anh mang tên “Le lemme fondamental pour les algèbres de Lie” (Bổ đề cơ bản cho đại số Lie) dày 169 trang đã được chính thức công bố trong tạp chí Publications Mathématiques de L'IHÉS do nhà xuất bản Springer phát hành.
Dù nghiên cứu và giảng dạy toán ở các trung tâm hàng đầu thế giới, GS. Ngô Bảo Châu vẫn dành thời gian đáng kể để tham gia giảng dạy và đào tạo toán học tại Việt Nam. Anh tham gia công tác hướng dẫn nghiên cứu và giảng dạy chuyên đề cho sinh viên ở Đại học khoa học tự nhiên và Đại học Sư phạm (Đại học Quốc gia Hà Nội).
Giáo sư Ngô Bảo Châu sẽ bắt đầu làm việc tại khoa Toán của trường Đại học Chicago, Mỹ từ ngày 1/9/2010.
Mới đây, Phó Thủ tướng Nguyễn Thiện Nhân đã chính thức mời Ngô Bảo Châu về Việt Nam công tác và đóng góp cho chương trình nhằm đưa nước ta trở thành cường quốc về toán.