Ông sinh ngày 19 tháng 9 năm 1961 tại Myanmar, nguyên quán tại xã Sơn Bằng, huyện Hương Sơn, tỉnh Hà Tĩnh. Sinh ra trong một gia đình ngoại giao, Phạm Sanh Châu được thừa hưởng truyền thống gia đình và nền tảng văn hóa Việt Nam, đồng thời sớm được trải nghiệm, tiếp thu nhiều nền văn hóa bản địa Myanmar nơi ông được sinh ra, nền văn hóa Slav và Trung Đông vào thời niên thiếu khi theo gia đình đi công tác. Ông được đào tạo bài bản tại Việt Nam và nhiều nước châu Âu. Ông sử dụng thành thạo tiếng Anh và tiếng Pháp.

Ngày 14 tháng 11 năm 2016, ông được bổ nhiệm là Trợ lý Bộ trưởng, Bộ Ngoại giao[1]. Cũng trong năm 2016, ông Phạm Sanh Châu được bổ nhiệm là Đặc phái viên của Thủ tướng Chính phủ Việt Nam về các vấn đề UNESCO[2].

Phạm Sanh Châu bắt đầu sự nghiệp ngoại giao từ năm 1983 với trách nhiệm theo dõi các hoạt động chung của Liên hợp quốc và vấn đề về nhân quyền. Ông được Nhà nước Việt Nam cử làm Đại sứ Đặc mệnh toàn quyền của Việt Nam tại Vương quốc Bỉ, Đại Công quốc Lúc xăm bua và Trưởng đoàn Việt Nam bên cạnh Liên minh châu Âu (2011-2014)[3]. Qua đó, ông tích lũy được nhiều kinh nghiệm ngoại giao, hiểu biết quan hệ quốc tế cũng như trực tiếp tham gia vào các hoạt động đàm phán quan trọng như Hiệp định tự do thương mại EU-Việt Nam, thúc đẩy phê chuẩn Hiệp định đối tác EU-Việt Nam.

Năm 1999-2003, ông là người trẻ tuổi nhất được bổ nhiệm làm Đại sứ, Trưởng Phái đoàn Thường trực nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam bên cạnh UNESCO, Paris, Cộng hòa Pháp, đồng thời, được Nhà nước Việt Nam cử làm Đại diện của Chủ tịch nước Việt Nam tại Cộng đồng Pháp ngữ (2000-2003). Trải qua việc đảm đương những cương vị này, ông hiểu rõ về Tổ chức và có những đóng góp cụ thể vào các hoạt động của UNESCO, đặc biệt các đóng góp mang ý nghĩa lâu dài cho vai trò, vị thế và sự phát triển của UNESCO như khi tham gia soạn thảo Công ước 2003 về di sản văn hóa phi vật thể[4], làm Phó chủ tịch Hội đồng chấp hành UNESCO năm 2001 và Chủ tịch nhóm soạn thảo Công ước 2005 về đa dạng biểu đạt văn hóa[5]. Từng là Chủ tịch nhóm các Đại sứ khu vực Châu Á-Thái Bình Dương tại UNESCO (2002), ông tham gia điều phối quan hệ giữa các quốc gia thành viên với tổ chức UNESCO và góp phần tạo đồng thuận để triển khai trên thực tế các ý tưởng của UNESCO.

Từ năm 2007 đến 2011 và từ 2014 đến 2016, ông đồng thời giữ chức vụ Tổng Thư ký[6] Ủy ban Quốc gia UNESCO Việt Nam[7][8] và Vụ trưởng, Vụ Văn hóa Đối ngoại và UNESCO, Bộ Ngoại giao. Ủy ban Quốc gia UNESCO Việt Nam là cơ quan điều phối của 06 Bộ, ngành: Bộ Ngoại giao, Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch, Bộ Giáo dục và Đào tạo, Bộ Thông tin Truyền thông, Bộ Khoa học Công nghệ và Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Phạm Sanh Châu là chuyên gia về di sản của Việt Nam, trực tiếp tham gia xây dựng các hồ sơ di sản. Ông vừa là nhà quản lý của Việt Nam trong các lĩnh vực của UNESCO, vừa là người truyền bá, trực tiếp giảng dạy, góp phần đưa các ý tưởng lớn của UNESCO về giáo dục, khoa học, thông tin như xóa mù chữ, học tập suốt đời, xã hội học tập, thúc đẩy bình đẳng giới, chung tay vì di sản, mô hình tăng trưởng xanh... vào thực tiễn ở Việt Nam.

Ngoài ra, ông từng là thành viên Ban giám khảo của cuộc thi Hoa hậu Trái Đất 2010 được tổ chức ở Nha Trang, Việt Nam.