Ngô Bảo Châu sinh ngày 28 tháng 6 năm 1972 tại Hà Nội. Thời niên thiếu, ông là học sinh Trường Tiểu học Thực nghiệm, Trường THCS Trưng Vương, và sau đó học tại Khối chuyên Toán thuộc Khoa Toán - Cơ - Tin học, Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội (cũ), nay là Trường Trung học Phổ thông chuyên Khoa học Tự nhiên thuộc Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Là sinh viên Trường Đại học Paris XI (Université Pierre et Marie Curie) và Trường Sư phạm Paris (École normale supérieure Paris, ENS Paris; một số ít người Việt Nam từng học tại trường này bao gồm Hoàng Xuân Hãn, Lê Văn Thiêm, Trần Đức Thảo[8]) 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 làm giáo sư toán học tại Trường Đại học Paris XI năm 2004.

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.

Năm 2010, khi biết tin sắp nhận giải Fields, ông đã tranh thủ nhập quốc tịch thứ hai với hy vọng giải thưởng cũng sẽ đem lại vinh dự cho các nhà toán học Pháp.[10]

Kể từ ngày 1 tháng 9 năm 2010, ông là giáo sư tại Khoa Toán, Viện Đại học Chicago [11].

Ngày 9/3/2011, phó thủ tướng chính phủ và bộ Giáo dục đã công bố Quyết định thành lập Viện Nghiên cứu Cao cấp về Toán (Vietnam Institute for Advanced Study in Mathematics) và quyết định bổ nhiệm ông Ngô Bảo Châu làm giám đốc khoa học của Viện.[4]

Cùng với nhà giáo Phạm Toàn, và giáo sư toán học Vũ Hà Văn, GS Ngô Bảo Châu mở một trang mạng giáo dục với tên là Học thế nào chính thức hoạt động vào ngày 1 tháng 5 năm 2013 với kỳ vọng đóng góp vào việc tìm ra phương hướng giải quyết các vấn đề của giáo dục Việt Nam.[12]

Tháng 10 năm 2013, ông là Chủ tịch danh dự của Câu lạc bộ Nhà khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội theo lời mời của Giám đốc Đại học Quốc gia Hà Nội - PGS.TS. Phùng Xuân Nhạ[13].

Năm 2020, ông giữ ghế giáo sư Formes automorphes ở Collège de France.[14][15]