伊藤美誠は一人っ子で、兄弟はいないようです。

伊藤美誠の祖父は静岡県の磐田市内で寿司屋を営んでいる職人さんで、彼女は祖父の作るお寿司が大好物なんだとか。名前は「健一」と言い、祖父の寿司屋は地元でもかなりの繁盛店なんだそうです。また、祖父も試合の応援に駆けつけることが多く、彼女のためにお寿司を作ることも多いのだとか。

伊藤美誠は2歳の頃をはじめ、当時は「卓球がやりたい」と自ら言ったのだとか。その後、彼女の卓球のために神奈川から静岡へ移り、自宅購入とともに卓球設備も整えます。4歳になると水谷隼の父親が運営している豊田町卓球スポーツ少年団に入り、そこで卓球の指導を受けるようになります。

伊藤美誠は豊田町卓球スポーツ少年団に入ったあと、4歳のときに全日本卓球選手権バンビの部（小2以下）に出場していきなり優勝を果たします。その後は2008年にもバンビの部（小2以下）で優勝していて、2010年には小4以下の「カブの部」でも優勝を果たしました。

伊藤美誠は2011年にわずか10歳2ヶ月で全日本卓球選手権に出場。最年少で初勝利を収めると、同年8月には国際卓球連盟（ITTF）主催のジュニアサーキット・韓国オープンにて最年少優勝を飾ります。その翌月にはジュニアサーキット・チャイニーズタイペイオープンでインターハイで優勝した鈴木李茄を破り、ジュニアシングルスで優勝。小学生でありながらその強さは他を圧倒するまでに成長を遂げます。

伊藤美誠は11歳の頃にITTFワールドツアー・スペインオープンに出場し、世界ランク50位の選手に勝利。同年8月には東アジアホープス選手権で決勝まで進み、ライバルである平野美宇に勝利し優勝を果たします。その後に行われた世界ジュニア卓球選手権に最年少で出場し、女子団体で銀メダルを獲得しました。

伊藤美誠は2013年1月に行われた全日本選手権に平野美宇とダブルスで出場し、大会最年少勝利を飾ります。翌月行われたITTFワールドツアーカタールオープンでは史上最年少で表彰台に上がり、平野美宇との「みうみま」コンビは国内外から注目を集める存在となりました。

伊藤美誠はその後も平野美宇とのダブルスを続け、2014年3月のワールドツアー・ドイツオープンで史上最年少優勝を果たします。このときは2人の合計年齢が「27歳145日」ということでギネス記録にも認定されています。続くスペインオープンでもダブルスで優勝を飾り、オーストラリアオープンではシングルスで優勝。中学生にして卓球界のスター選手へと成長しました。

伊藤美誠は2015年1月に全日本選手権女子シングルスでベスト8、ジュニア女子シングルスで優勝を飾り、世界選手権の日本代表に選出。その後に行われたワールドツアーでは強豪選手を次々と倒し、14歳152日にして史上最年少優勝を飾りました。これにより彼女は世界ランキングでトップ10入りも果たし、名実ともにトップ選手へと上り詰めました。

伊藤美誠は2016年に初めて世界選手権に団体で出場。決勝まで勝ち進んだものの、中国に敗れて2位となります。そして、自身初となるリオデジャネイロオリンピックにも日本代表として福原愛、石川佳純らとともに団体に出場。準決勝でドイツに敗れてしまいましたが、見事銅メダルを獲得しました。

伊藤美誠は2017年にも日本・海外の大会で優秀な成績を収め、同年9月に中国スーパーリーグの下部リーグにも参戦。彼女は甲Aリーグに団体で出場し、見事全勝を果たします。その後はITTFチャレンジ・ポーランドオープンでシングルス優勝。ワールドツアー・スウェーデンオープンではダブルス優勝を果たし、破竹の快進撃を続けます。

伊藤美誠は2018年1月の全日本選手権でシングルス、ダブルス、混合ダブルスにて優勝し三冠を達成。同年11月に行われたスウェーデンOPでは立て続けに中国の選手に勝ち、決勝で世界ランキング1位の朱雨玲と戦うも「4-0」で圧倒し優勝を飾りました。この大会で彼女は世界選手権団体戦の女子の最優秀選手として表彰されました。

伊藤美誠は2019年1月に行われた全日本選手権でもシングルス、ダブルス、混合ダブルスにて優勝を果たし、2年連続の三冠を達成。その後に行われた世界選手権ではダブルスで決勝まで勝ち上がったものの、中国のペアに「2-4」で敗れ、銀メダルとなりました。シングルスではワールドツアー・オーストリアOPとジャパントップ12卓球大会で優勝を果たしています。

伊藤美誠は2020年1月に発表された世界ランキングで日本勢最高の3位に浮上。その後、東京オリンピックでシングルスと団体、混合ダブルスで出場することが決定します。2月に行われたワールドツアー・ハンガリーOPで優勝を果たし、3月のカタールOPでは決勝で中国の選手に敗れて2位。そして4月に発表された世界ランキングで日本人最高の2位になり、世界中から注目を集める存在になりました。