2009年，伊藤美诚参加全日本乒乓球赛，获得小学四年级以下组冠军。
2010年12月，伊藤美诚参加全日本乒乓球赛，在女子单打首轮比赛中胜出，打破了由福原爱保持的最年轻女单获胜纪录。
2012年，伊藤美诚参加中国台北的青少年公开赛，获得U-15与U-18两级别赛事冠军。
2014年3月30日，在国际乒联职业巡回赛德国公开赛女子双打总决赛中，伊藤美诚与平野美宇组合以3比0战胜波兰组合格淄博斯卡与帕蒂卡，获得女子双打冠军，创造巡回赛历史上最年轻冠军组合的纪录，两人年龄加在一起只有27岁145天。
2015年3月23日，在国际乒联职业巡回赛德国公开赛女子单打决赛中，伊藤美诚以4比2击败德国的索利亚，获得女子单打冠军；5月1日，伊藤美诚参加第53届世界乒乓球锦标赛，在女子单打四分之一决赛中，伊藤美诚2比4败给中国选手李晓霞，止步八强；12月10日，在国际乒乓球联合会的年度表彰中，伊藤美诚获得“最佳突破奖”。
2016年3月27日，在国际乒联世界巡回赛卡塔尔公开赛女子双打半决赛中，伊藤美诚与福原爱以3比0战胜波兰选手卡塔日娜与纳塔利娅，晋级决赛；在同日进行的女子双打决赛中，伊藤美诚与福原爱2比3败给中国选手丁宁与刘诗雯，获得女子双打亚军；4月29日，在乒乓球亚洲杯女子单打四分之一决赛中，伊藤美诚1比4败给刘诗雯，止步八强；6月17日，在日本乒乓球公开赛女子单打第二轮的比赛中，伊藤美诚1比4败给丁宁被淘汰；8月16日，伊藤美诚参加里约热内卢奥运会，在乒乓球女子团体赛中，日本队以3比1战胜新加坡队，获得铜牌。
2017年4月，第23届亚洲乒乓球锦标赛混双决赛，森园政崇/伊藤美诚以1：3负于中国选手周雨/陈幸同，获得亚军。
2017年12月17日，2017年国际乒联总决赛，早田希娜/伊藤美诚获得女双亚军。
2018年3月25日，国际乒联巡回赛第二站白金赛——德国公开赛，早田希娜/伊藤美诚以3：1战胜田志希/梁夏银，登顶女双冠军。6月10日，2018年日本乒乓球公开赛女子单打决赛，中国选手王曼昱以2-4负于日本选手伊藤美诚，伊藤美诚夺得女子单打冠军。
2018年6月10日，2018年日本乒乓球公开赛女单决赛，以4-2战胜中国选手王曼昱，获得冠军。
2018年8月19日，2018年国际乒联保加利亚公开赛女双决赛，石川佳纯/伊藤美诚3-1胜刘高阳/张瑞获得冠军。
2018年11月4日，在国际乒联瑞典公开赛女单决赛中以4比0击败朱雨玲夺得冠军。
2019年4月28日，2019年世乒赛女双决赛中，日本组合早田希娜/伊藤美诚以2:4不敌中国小将孙颖莎/王曼昱，获得亚军。
2019年国际乒联瑞典公开赛女单半决赛，伊藤美诚4：2战胜中国选手孙颖莎，与中国队的陈梦争夺女单冠军。
2019年10月6日，国际乒联瑞典公开赛女单决赛，伊藤美诚3：4败给中国选手陈梦，获得亚军。
2019年11月10日，2019年乒乓球世界杯团体赛，0:3败给中国队，获得亚军。11月18日，在2019年国际乒联奥地利公开赛女单决赛中，伊藤美诚以4：1战胜朱雨玲夺冠。11月24日，在T2钻石赛新加坡站女单决赛中，伊藤美诚以3-4不敌孙颖莎，获得亚军。
2020年2月1日，在德国马格德堡举行的德国乒乓球公开赛混双决赛中，日本选手水谷隼/伊藤美诚1比3不敌中国选手许昕/刘诗雯，获得亚军。3月，在卡塔尔公开赛女单半决赛中，伊藤美诚以4：0战胜丁宁，闯入决赛。3月7日，卡塔尔公开赛混双决赛中，水谷隼/伊藤美诚以3比1战胜中国队王楚钦/孙颖莎获得冠军。3月8日，在女单决赛中1-4不敌陈梦获得亚军。
2021年1月17日，全日本赛女单半决赛，伊藤美诚4-3险胜双打搭档早田希娜。决赛中，伊藤美诚被石川佳纯逆转获得亚军。3月6日，国际乒联多哈挑战赛女单决赛，伊藤美诚4-2击败队友早田希娜，夺得冠军。7月，国际乒联公布了奥运排名情况，伊藤美诚位列三甲。7月26日，伊藤美诚/水谷隼4-3战胜中国队刘诗雯/许昕，夺得东京奥运会乒乓球混合双打冠军。7月28日，在东京奥运会女子单打1/4决赛中，伊藤美诚4-0战胜韩国选手田志希。7月29日，东京奥运会女单半决赛，伊藤美诚0-4负于孙颖莎，无缘决赛。7月29日，在东京奥运会乒乓球女单季军争夺战中，伊藤美诚以总比分4-1逆转战胜于梦雨，获得铜牌。
2021年8月5日，在2020年东京奥运会乒乓球女子团体决赛中，日本队0-3负于中国队，伊藤美诚1比3负于中国选手孙颖莎。
2021年11月16日，国际乒联最新一期世界排名女单第三位。11月28日，2021年休斯顿世乒赛女子单打四分之一决赛，伊藤美诚以1-4负于王艺迪，无缘四强。
2021年12月，伊藤美诚宣布退赛。
2021年12月16日，日本乒协方面宣布重要决定，计划在2022年1月份举办全日本锦标赛。伊藤美诚参加女单，女双两个项目。女双方面，伊藤美诚搭档早田希娜。
2021年12月20日消息，日本乒协近日公布了2022年团体世乒赛选拔标准。奥运女单铜牌的伊藤美诚已经满足了标准，提前入围。
2022年3月19日，2022年WTT新加坡大满贯赛女子双打决赛，伊藤美诚/早田希娜0：3负于王曼昱/孙颖莎。
2022年4月10日，在日本乒乓球亚运选拔赛最后一天的比赛中，伊藤美诚在小组赛头名战中2-4不敌17岁小将木原美悠，失去了争夺第二张亚运单打名额的机会。
2022年5月19日，入选世界乒乓球职业大联盟WTT公布的常规挑战赛萨格勒布站参赛名单。
2022年6月17日，WTT挑战赛萨格勒布站正赛首轮，伊藤美诚3-0击败对手，晋级下一轮。
2022年6月，WTT挑战赛萨格勒布站半决赛，伊藤美诚以4比0（11比6、11比8、11比4、11比9）击败德国的韩莹。女单决赛，伊藤美诚以4比2（11比8、4比11、11比4、11比7、10比12、11比1）战胜平野美宇，获得冠军。女双决赛，伊藤美诚/早田希娜以3比1（12比10、11比3、8比11、11比9）力克德国的单晓娜/温特夺冠。同月，入选首届WTT冠军赛(欧洲夏季系列赛)名单。
2022年7月11日，参加在布达佩斯举行的世界乒乓球职业大联盟WTT欧洲夏季系列赛。7月14日，2022年WTT球星挑战赛布达佩斯站女单第二轮，伊藤美诚以11-9、11-6和11-4击败匈牙利本土选手马达拉茨，总比分3-0过关。7月16日，2022年WTT球星挑战赛匈牙利布达佩斯站女单四分之一决赛，伊藤美诚以2比3（7比11、11比9、11比4、7比11、9比11）不敌王曼昱，被淘汰出局。7月17日，2022年WTT球星挑战赛匈牙利布达佩斯站女双决赛，伊藤美诚/早田希娜0：3负于孙颖莎/王曼昱。7月21日，WTT冠军赛布达佩斯站女单1/4决赛中，伊藤美诚以0比3不敌王曼昱。北京时间7月22日，WTT冠军赛进入1/4决赛争夺，王曼昱再次对阵伊藤美诚，最终3-0横扫对手，把伊藤美诚挡在了四强之外。
