伊藤由美于1980年4月14日出生于東京，父親是日本電影和電視演員，隸屬于Theventh Avenue。
1993年，伊藤以演員身份正式亮相，出演奇幻電影《水的旅行者》。
1996年，她在岩井俊二導演的文藝電影《燕尾蝴蝶》中飾演女強少女"鳳凰蝴蝶"，16歲時獲得第20屆日本電影學會獎優秀女主角獎和最佳新人獎。
2001年，伊藤再次出演岩井淳司的《百合周的一切》，為了配合電影，他的頭發剃成了光頭;
2006年，他來到中國，參演驚悚恐怖片《陶器人》。2007年，他再次出演中國電影《吳清遠》。
2010年，他主演了TBS四晚劇《記憶之海》。
2014年，他主演了社會倫理劇《日臉：平日3.m的戀人》。
2015年，他主演懸疑喜劇《可恨的婚禮警花》，首次出演這部人氣電視劇。
2016年，他與蔡尚東、齋藤勞工、廣山弘等人共同出演了道德劇《日燕》的電影版。