Ngô Thì Sĩ sinh ngày 20 tháng 9 năm Bính Ngọ (tức 15 tháng 10 năm 1726) tại làng Tả Thanh Oai (làng Tó), huyện Thanh Oai, trấn Sơn Nam (sau thuộc tỉnh Hà Đông, và nay thuộc huyện Thanh Trì Hà Nội).

Ông sinh ra trong một dòng họ lớn [3] ở làng, có nhiều người nổi tiếng hay chữ...

Ông nội ông là Ngô Trân, hiệu Đan Nhạc, là một người nổi tiếng về sức học uyên bác và tài văn chương, được người đương thời liệt là một trong "bảy con hổ của kinh thành Thăng Long" (Trường An thất hổ).

Ông là con trưởng Ngô Thì Ức, cũng nổi tiếng hay chữ. Năm 14 tuổi, ông Ức đỗ thứ hai kỳ thi Hương nhưng sau đó hỏng liền hai khoa thi Hội, nên không để chí vào khoa cử nữa. Khi Ngô Thì Sĩ lên 10 tuổi, thì ông Ức mất.

Từ 7 đến 11 tuổi, Ngô Thì Sĩ được ông nội rèn dạy. Sau đó, ông được cho ra Thăng Long theo học các bậc danh nho như Nghiêm Bá Đĩnh, Nhữ Đình Toản [4]. Năm Quý Hợi (1743), Ngô Thì Sĩ thi đỗ Hương tiến (Cử nhân), nhưng bị hỏng khoa thi Hội ngay sau đó.

Năm 1752, Ngô Thì Sĩ lại đi thi Hội, nhưng bị khảo quan Trần Tố đánh hỏng (vì "nhầm")[5]. Chúa Trịnh Doanh rất tiếc, truất chức của Trần Tố và trao cho Ngô Thì Sĩ chức Thiêm tri Công phiên thẩm ứng vụ (trước đó ông giữ một chức nhỏ trong Binh tào).

Năm 1756, nhân đỗ đầu một kỳ thi tuyển người, Ngô Thì Sĩ trở thành một thành viên trong Văn ban của phủ chúa Trịnh, được giao trách nhiệm soạn thảo giấy tờ, và làm Tùy giảng cho con chúa là Thế tử Trịnh Sâm.

Năm 1761, ông được sai làm "bạn tiếp" tiếp sứ nhà Thanh sang sắc phong và điếu tang Lê Ý Tông.

Năm 1763, ông được cử làm Cấp sự trung công khoa.

Năm 1764, ông làm Giám sát ngự sử đạo Sơn Tây, rồi Đốc đồng Thái Nguyên (1765).

Năm Bính Tuất (1766), đời Cảnh Hưng, ông thi đỗ Hoàng giáp, năm sau (1767), được thăng Đông các hiệu thư rồi đổi làm Hiến sát sứ Thanh Hoa (tức Thanh Hóa). Khi ở đây, ông khai thác núi Bàn A dựng chòi xem sóng biển và lập hội Quan lan sào, tự mình làm hội trưởng.

Năm 1769, ông được về triều; năm sau (1770), làm Tham chính Nghệ An.

Năm 1771, ông coi việc chấm thi ở trường thi Nghệ An, bị Nguyễn Văn Chu, người ở Hà Tĩnh kiện vì ăn của đút của học trò, bị án "hoàn dân thụ dịch" (nghĩa là trả về làm dân chịu sai dịch) vào năm 1772 [6].

Năm 1774, chúa Trịnh Sâm đi tuần phương Nam, biết ông bị oan, mới có ý cất dùng. Năm 1775, cho triệu ông vào kinh giữ chức Hiệu lý Viện Hàn lâm kiêm Hiệu chính quốc sử, sau đó thăng Thiêm đô ngự sử.

Năm 1777, ông được bổ làm Đốc trấn Lạng Sơn. Trong thời gian ở đây, sau khi ổn định được tình hình địa phương, giúp dân an cư, ông đặt doanh Lộc Mã, dựng đình Kinh lược, sửa sang động Song Tiên, khai thác động Nhị Thanh làm cho nó trở thành một thắng tích.

Ngày 29 tháng 8 năm Canh Tý (tức 22 tháng 10 năm 1780), ông có việc đi tới Nam Quan. Trên đường về qua động Nhị Thanh, ông vào nghỉ trong động. Khi về đến nhà người mệt nặng và từ trần.

Sau này dân làng Vĩnh Trại thuộc huyện Thoát Lãng ở giáp động Nhị Thanh (Lạng Sơn) có lập đền thờ ông. Triều Tây Sơn cũng phong tặng ông là Lễ Thượng Thư Văn Dụ Hồng Liệt Đại Vương.

Ngô Thì Sĩ là cha của các danh sĩ: Ngô Thì Nhậm, Ngô Thì Chí, Ngô Thì Trí, Ngô Thì Hương và là cha vợ của Phan Huy Ích.