Ông hiện làm việc chính thức tại Đại học Chicago, Mỹ. Ở Việt Nam, ông là Giám đốc khoa học tại Viện Nghiên cứu cao cấp về Toán.
"Cú đúp" của Toán học Việt Nam
Ngô Bảo Châu  sinh năm 1972 tại Hà Nội trong một gia đình trí thức. Có thể nói, một trong những nền tảng giúp ông có được thành tựu như ngày hôm nay là do ngay từ nhỏ đã được bồi dưỡng trong môi trường rất thuận lợi.
Bố ông là Giáo sư - Tiến sĩ Cơ học chất lỏng Ngô Huy Cẩn, làm việc tại Viện Cơ học Việt Nam. Mẹ ông là Phó Giáo sư - Tiến sĩ Trần Lưu Vân Hiền, công tác tại Bệnh viện Y học Cổ truyền Trung ương. Hồi bé, Ngô Bảo Châu theo học tại Trường Thực nghiệm Giảng Võ.
Ngay từ cấp hai, ông đã được tuyển vào lớp chuyên Toán Trường Trưng Vương (Hà Nội), được học với người thầy dạy giỏi Tôn Thân - cháu ngoại nhà học giả Phạm Quỳnh, chủ bút báo Nam Phong một thời nổi tiếng.
Lên cấp ba, năng khiếu Toán của ông được tiếp tục chăm sóc tại khối phổ thông chuyên Toán - Tin Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội (nay là Trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội ). Ngô Bảo Châu học với Tiến sĩ Toán Phan Đức Chính và người thầy giỏi như Phạm Văn Hùng; lại còn được mấy anh “chuyên Toán” lớp trước như Lê Tuấn Hoa, Vũ Đình Hoà dìu dắt...
Mùa hè 1988, mới 16 tuổi, đang học lớp 11 phổ thông chuyên Toán, Ngô Bảo Châu đã xuất sắc đoạt huy chương Vàng  trong kỳ thi Olympic Toán quốc tế tại Australia. Một năm sau, khi học lớp 12, Ngô Bảo Châu dự tiếp Olympic Toán quốc tế  tại Cộng hòa Liên bang Đức. Và một lần nữa, ông lại đoạt đoạt Huy chương Vàng. Với thành tích này, Ngô Bảo Châu đã trở thành người Việt Nam đầu tiên giành 2 huy chương Vàng Olympic Toán quốc tế.
Sau đó, Ngô Bảo Châu được Chính phủ Pháp cấp học bổng để theo học Đại học Paris 6. Là người mang chí lớn vươn tới đỉnh cao, hai năm sau, ông thi vào hệ đào tạo Tiến sĩ của Đại học Sư phạm Paris (École Normale Supérieure), trường đại học danh tiếng của nước Pháp và bảo vệ thành công Luận án Tiến sĩ năm 25 tuổi, rồi Luận án Habilitation (tương đương Tiến sĩ khoa học) năm 31 tuổi. Năm 2004, Ngô Bảo Châu đã được hai trường đại học lớn ở Pháp là Paris 6 và Paris 11 mời làm Giáo sư và ông nhận lời làm Giáo sư của Đại học Paris 11 vào năm 2005.
Cuối năm 2004, ở tuổi 32, Ngô Bảo Châu cùng nhà Toán học người Pháp Gérard Laumon đã được Viện Toán học Clay trao tặng giải thưởng tại Đại học Harvard cho công trình nghiên cứu Le lemme fondamental pour les groupes unitaires (Bổ đề cơ bản cho các nhóm Unita), để "công nhận thành tựu đặc biệt xuất sắc trong Toán học" của ông.
Người Việt Nam đầu tiên nhận giải thưởng "Nobel toán học"
Năm 2005, Ngô Bảo Châu được Nhà nước ta đặc cách phong hàm Giáo sư tại Việt Nam. Ông được Hội đồng Chức danh Giáo sư Nhà nước đặc cách phong Giáo sư (với 100% số phiếu) khi mới 33 tuổi mà không cần phải qua chức danh Phó Giáo sư. Việc phong đặc cách này đã bỏ qua một số tiêu chí vẫn được áp dụng ở nước ta trước đây mà hướng tới sự tiếp cận các tiêu chí quốc tế quan trọng nhất đối với Giáo sư đại học là trình độ nghiên cứu khoa học, năng lực sáng tạo, chứ không phải là kinh nghiệm truyền thụ những tri thức sẵn có. Cho đến nay, Ngô Bảo Châu vẫn là người trẻ tuổi nhất được phong học hàm Giáo sư ở Việt Nam.
Một năm sau đó, ông được mời đọc báo cáo tiểu ban tại Đại hội Toán học Thế giới tại Madrid (Tây Ban Nha). Ông là người Việt Nam thứ ba có vinh dự này. Trước ông là hai người Việt Nam ở nước ngoài, Giáo sư F. Phạm và Giáo sư Dương Hồng Phong.
Năm 2009, công trình chứng minh "Bổ đề cơ bản" thuộc Chương trình Langlands của ông đã được tạp chí Time bình chọn là 1 trong 10 thành tựu khoa học tiêu biểu của năm.
Đến năm 2010, Giáo sư Ngô Bảo Châu được xướng lên là một trong bốn nhà toán học giành giải Fields (như là giải Nobel trẻ về toán học); đưa Việt Nam trở thành quốc gia châu Á thứ hai sau Nhật có nhà Toán học đoạt giải thưởng này.
Sau đó, Giáo sư Ngô Bảo Châu đã được bổ nhiệm làm Giảng viên tại Trường Đại học Chicago (Mỹ) - một trong các trường đại học hàng đầu thế giới. Theo thông báo của trường, Ngô Bảo Châu sẽ làm Giáo sư Toán học tại Đại học Chicago kể từ 1/9/2010. Thông báo về việc này, trang web của trường đăng bài viết có tiêu đề: "Nhà toán học xuất chúng chấp nhận lời mời giảng dạy tại Đại học Chicago".
Năm 2012, ông được bầu là hội viên hội Toán học Hoa Kỳ. Khi Viện nghiên cứu cao cấp về Toán học của Việt Nam thành lập, Giáo sư Ngô Bảo Châu đảm nhận chức Giám đốc khoa học của viện. Giáo sư đã được Tổng thống Pháp Nicolas Sarkozy trao tặng Huân chương Bắc đẩu bội tinh. Ông cũng được vinh danh là công dân thủ đô Hà Nội lần thứ nhất.
Năm 2016, Giáo sư Ngô Bảo Châu đã dành toàn bộ tiền thưởng mà ông nhận được kèm theo huy chương Fields từ năm 2010 để tài trợ cho Pi - một tạp chí dành cho học sinh, sinh viên yêu Toán.
Từng chia sẻ trên Báo Dân Trí năm 2022, Giáo sư Ngô Bảo Châu cho biết, hiện nay biên chế của ông là Giáo sư ở Đại học Chicago. Trách nhiệm ở Việt Nam là Giám đốc khoa học ở Viện nghiên cứu cao cấp về Toán. Trong 5 năm từ 2020-2025, ông thỉnh giảng ở College de France ở Pháp. Đi thỉnh giảng các nơi khác chỉ là các chuyến đi ngắn.