Năm 17 tuổi, Nguyễn Minh Châu rời Quảng Ninh sang Hải Phòng tham gia đội trẻ của câu lạc bộ bóng đá Xi măng Hải Phòng. Sau đó Châu lên đội 1 Xi măng Hải Phòng và tham dự giải vô địch bóng đá Việt Nam. Năm 2008, ông Henrique Calisto gọi Châu vào đội tuyển Việt Nam chuẩn bị cho Cúp AFF 2008. Tại giải đấu này, Châu thi đấu thành công, góp phần cùng đội tuyển Việt Nam đoạt chức vô địch.

Năm 2009, Nguyễn Minh Châu vẫn gắn bó với Xi Măng Hải Phòng và trở thành trụ cột của tuyển quốc gia Việt Nam. Vị trí của anh trên sân là đặc biệt quan trọng trong sơ đồ chiến thuật của huấn luyện viên Calisto. Châu chơi thấp nhất trong hàng tiền vệ để giúp các đồng đội phòng thủ, bao vây tốt nhất có thể hàng tấn công của đối thủ. Tuy vậy Châu vẫn rất nhiệt tình phân phối bóng, điều hoà khu vực giữa sân.

Năm 2017, anh giải nghệ vì chấn thương.