Ngô Bảo Châu sinh ra trong một gia đình trí thức truyền thống. Ông là con trai của 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. Ông là cháu họ của Ngô Thúc Lanh, một Giáo sư toán viết cuốn sách Đại số đầu tiên.[2]

Năm 22 tuổi (1994), sau khi học xong thạc sĩ ở Pháp, Ngô Bảo Châu lập gia đình với Nguyễn Bảo Thanh, người bạn gái học chuyên Toán cùng ông tại Trường THCS Trưng Vương, Hà Nội.[16] Đến tháng 8 năm 2010, hai người có với nhau ba người con gái: Ngô Thanh Hiên (sinh năm 1995), Ngô Thanh Nguyên (sinh năm 2000) và Ngô Hiền An (sinh năm 2003).[17]