Sinh năm 1972 tại Hà Nội, Ngô Bảo Châu là con trai duy nhất của một gia đình khoa học "nòi". Cha anh là Giáo sư, TSKH ngành cơ học chất lỏng Ngô Huy Cẩn (Viện Cơ học). Mẹ của anh là Phó GS, TS Trần Lưu Vân Hiền (Bệnh viện Y học cổ truyền Trung ương).
Ông từng học tại Khối chuyên toán Trường ĐH Khoa học Tự nhiên- ĐHQGHN. Tư chất thông minh, được nuôi dưỡng trong môi trường trí thức của gia đình, lại được học với một đội ngũ toàn các thầy, cô giáo giỏi, có phương pháp dạy phù hợp năng lực, sở trường: Tôn Thân, Phan Đức Chính, Nguyễn Văn Mậu, Lê Đình Thịnh, Phạm Văn Điều, Phạm Tấn Dương, Nguyễn Xuân My, Đỗ Thanh Sơn, Nguyễn Vũ Lương... Đó chính là bệ phóng lý tưởng cho ông gặt hái những thành quả đầu tiên trong đời.
Năm 1988, Ngô Bảo Châu đoạt Huy chương vàng Olympic Toán học Quốc tế tại Australia. Năm 1989, Ngô Bảo Châu tiếp tục đạt Huy chương vàng Olympic Toán học Quốc tế tại Cộng hoà Liên bang Đức và trở thành người Việt Nam đầu tiên 2 lần đoạt huy chương vàng Olympic Toán quốc tế.
Tiếp đó, Ngô Bảo Châu nhận học bổng của Chính phủ Pháp học đại học tại Đại học Paris 6. Hai năm sau, Ngô Bảo Châu thi đỗ thủ khoa kỳ thi tuyển sinh hệ sau ĐH của École Normale Supérieure de Paris - đại học danh tiếng nhất nước Pháp, nơi từng đào tạo nhiều nhà bác học Pháp lừng danh. Đây cũng là nơi một số trí thức Việt Nam ưu tú thế hệ trước như Hoàng Xuân Hãn, Lê Văn Thiêm, Trần Đức Thảo, Trần Thanh Vân... từng theo học.
Ngô Bảo Châu đã có 17 năm học tập và làm việc tại các trường nổi tiếng của Pháp: ĐH Paris 13, ĐH Paris 11, làm việc gần 4 năm tại Viện IAS Princeton (Hoa Kỳ), từng làm việc khá lâu tại các viện khoa học nổi tiếng như: IHES của Pháp, Max-Planck của Đức.
Tư chất thông minh, sinh trưởng trong gia đình có truyền thống làm khoa học, lại được đào tạo và làm việc tại những môi trường khoa học đỉnh cao ở nhiều đại học, viện nghiên cứu danh tiếng hàng đầu thế giới, Ngô Bảo Châu đã sớm đạt được những thành tựu lớn trong toán học, được giới toán học thế giới ngưỡng mộ.
Năm 2004, GS. Ngô Bảo Châu cùng với Gérard Laumon được trao tặng giải Nghiên cứu Clay của Viện Toán học Clay - một trong những giải thưởng danh giá nhất về toán học trên thế giới vì đã chứng minh được bổ đề cơ bản cho các nhóm Unita.
Tháng 11/2004, Ngô Bảo Châu được phong Giáo sư tại Đại học Paris. Năm 2005, ông được Hội đồng chức danh Giáo sư Nhà nước phong đặc cách Giáo sư và trở thành người trẻ nhất được phong GS tại Việt Nam.
Năm 2006, ông được mời đọc báo cáo tiểu ban tại Đại hội Toán học thế giới tại Madrid (Tây Ban Nha).
Sau khi chứng minh được "Bổ đề cơ bản", một giả thuyết then chốt của Chương trình Langlands, ông được trao Giải thưởng Oberwolfach của Đức, Giải thưởng của Viện Hàn lâm Pháp (năm 2007). Chương trình Langland là một chương trình toán học đồ sộ nhằm thống nhất hình học và số học. Bổ đề cơ bản là cơ sở cho việc xây dựng một lý thuyết toán học theo chương trình Langland. Với việc chứng minh Bổ đề cơ bản, có thể nói Ngô Bảo Châu đã đưa chương trình Langland bước sang một trang mới. Trước Ngô Bảo Châu, Bổ đề cơ bản đã tồn tại hơn 30 năm mà không có ai chứng minh được.
Công trình của ông đã được tạp chí Time (Mỹ) bình chọn là "một trong 10 phát minh khoa học tiêu biểu của năm 2009". Tháng 6 vừa qua, công trình của ông mang tên "Le lemme fondamental pour les algèbres de Lie" (Bổ đề cơ bản cho đại số Lie) dày 169 trang đã được chính thức công bố trong tạp chí Publications Mathématiques de L"IHÉS do NXB Springer phát hành.
Ngô Bảo Châu còn nhận được giải thưởng của Viện Nghiên cứu Toán học Oberwolfach dành cho các nhà toán học trẻ châu Âu (2007) và giải thưởng của Viện Hàn lâm Pháp (2008).
Năm 2010, Ngô Bảo Châu vinh dự nhận giải thưởng Fields tại Đại hội Toán học thế giới ICM tổ chức tại Ấn Độ. Đây được coi như giải thưởng Nobel trong Toán học, chỉ được trao cho những thiên tài toán học phát lộ sớm và có những thành tích đặc biệt xuất sắc trong ngành.