Ông đã hai lần đoạt huy chương vàng Olympic Toán học Quốc tế tại Australia năm 1988[18] và Cộng hòa Liên bang Đức năm 1989,[19] và cũng là người Việt Nam đầu tiên giành 2 huy chương vàng Olympic Toán học Quốc tế.

Năm 2004, 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.[20]

Cuối năm 2009, công trình Bổ đề cơ bản cho các đại số Lie của ông đã được tạp chí Time bình chọn là một trong 10 phát minh khoa học tiêu biểu của năm 2009.[21]

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.[22] Tại lễ khai mạc, giáo sư đã được tặng thưởng Huy chương Fields.[23]

Ngày 29 tháng 8 năm 2010, một buổi lễ chào mừng ông nhận giải Fields đã được tổ chức tại TT Hội nghị Quốc gia, Mỹ Đình, Hà Nội.[24]

Nhằm khuyến khích nền khoa học nước nhà, Chính phủ Việt Nam đã trao tặng Ngô Bảo Châu một căn hộ công vụ trị giá 12 tỷ VNĐ ở tòa nhà Vincom, Hà Nội.[25] Mặc dù có nhiều ý kiến khác nhau xoay quanh việc nhận căn hộ nhưng ông khẳng định giải thưởng này là xứng đáng,[26] và đã nhận căn nhà 160 m² này đầu tháng 11 năm 2010.[27] Trước đó, ngày 4/9/2010, Hội đồng Thi đua khen thưởng thành phố Hà Nội (trong chương trình Đại hội Thi đua yêu nước giai đoạn 2010 - 2015 của thành phố) đã lựa chọn thêm Ngô Bảo Châu vào danh sách Công dân Thủ đô ưu tú lần thứ nhất, năm 2010.[28][29]

Tháng 4 năm 2011, Tổng thống Pháp Nicolas Sarkozy quyết định trao tặng ông Huân chương Bắc đẩu Bội tinh của nhà nước Pháp và ông đã chính thức sang Pháp nhận giải này vào ngày 27 tháng 1 năm 2012 tại điện Élysée.[30][31] Một tháng sau, Ngô Bảo Châu cùng với năm người khác đã được Viện Đại học Chicago trao tặng danh hiệu giáo sư đã có những thành tựu xuất sắc (distinguished service professorships).[32][33]

Năm 2012 ông là hội viên danh dự (fellow) của Hội Toán học Hoa Kỳ.[34]

Ngày 12 tháng 12 năm 2018, ông được trao Giải thưởng toán học Maurice Audin tại Viện nghiên cứu Henri Poincaré, Paris, Pháp.[35]