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1997年，伊藤英明参加Junon杂志男模特儿选拔获优胜，同年参加《大搜查线岁末特别版》的演出，踏入日本艺能界。
1998年，参演爱情片《爱，有时说谎》。1999年1月，伊藤英明参演爱情剧《三十拉警报》。9月，与广末凉子、小林薰联袂出演由泷田洋二郎执导的剧情片《秘密》。10月，参演犯罪片《Out─娇妻犯罪》。
2000年4月，与大冢宁宁主演恐怖片《夜叉》，伊藤英明一人分饰两角，饰演一对有超天才头脑双胞胎“有末静”和“雨宫凛”。
2003年，出演改编自山崎丰子的同名小说的医学剧《白色巨塔》。
2004年，伊藤英明与加藤爱、仲村彻主演动作片《海猿》。
2006年，伊藤英明与加藤爱、佐藤隆太联袂主演由羽住英一郎执导的动作片《海猿2">海猿2：爱之界限》。
2007年，与伊势谷友介合作主演由三池崇史执导的动作片《寿喜烧西部片》，饰演一名神秘的枪手。同年，与井上真央合作主演爱情剧《初吻》，饰演美绪的哥哥加纳和树。
2008年12月，伊藤英明与木村佑一、山本太郎主演动作惊悚片《252生存者》。
2009年2月，出演动作剧《警官之血》，饰演三代警员民雄的长子安城和也。7月，与山下智久、北川景子联手出演由永山耕三、西浦正记共同执导的励志剧《零秒出手》，饰演JCARCS的教练川崎智哉。9月，与松山健一、小雪主演以17世纪的日本为舞台的动作片《卡姆依外传》，饰演传说中的猎鲨军团渡众的首领不动。
2010年，伊藤英明与加藤爱、佐藤隆太主演了改编自佐藤秀峰创作的同名漫画的动作片《海猿3">海猿3：最后的讯息》，该片讲述海上保卫厅的潜水员们，克服重重艰难险阻的成长故事。
2011年5月，出演了以日本三重县真实存在的高中生经营的餐厅“孙之店”为蓝本的喜剧《高中生餐厅》。6月，与织田裕二、黑木明纱联袂主演由西谷弘执导的悬疑片《安达卢西亚：女神的报复》，该片讲述了黑田康介以外交官的身份在世界各地对抗恐怖主义，保护日本国民安全的故事。9月，与中丸雄一、高岛礼子联手主演以保险金连环杀人事件为题材的《LastMoney~爱的代价》，饰演保险金查定员向岛朔太郎。
2012年7月，伊藤英明与佐藤隆太合作主演剧情片《海猿4">海猿4:勇敢的心》，饰演勇猛果敢的仙崎大辅。10月，与二阶堂富美、染谷将太主演根据同名小说改编的恐怖惊悚片《恶之教典》，饰演二年4班班主任莲实圣司。
2013年，与山下智久、武井咲联手主演推理侦探剧《金田一耕助VS明智小五郎》，饰演日本第一名侦探明智小五郎。同年，与三浦友和主演根据作家白川道的长篇小说改编的《最快的银河》，饰演37岁的新锐建筑师桐生晴之。
2014年，伊藤英明与染谷将太、长泽雅美出演喜剧片《哪啊哪啊神去村》，饰演和野性大自然融为一体的凶暴前辈饭田与喜，获得第9届亚洲电影大奖最佳男配角奖。同年，出演剧情片《昼颜：工作日下午3点的恋人们》。此外，还与泷藤贤一主演了法律剧《罪人的谎言》，饰演为了获得胜利不择手段的律师笠原。
2015年4月，与佐藤健出演改编自杉森久英的同名小说的剧情剧《天皇的料理人》，饰演鲭江连队厨师田边佑吉。同年，主演动作片《Liquid～鬼之酒奇迹之酿酒人～》，该剧讲述酿酒老店独生子放弃银行工作赌上人生酿酒的故事。此外，还主演由三池崇史执导的真人版电影《火星异种》。
2016年，主演4月开播的富士台日剧《我的危险妻子》。参演电影《三月的狮子》。
2017年，主演初夏上映的电影《第22年的自白-我是杀人犯》。
2020年，参演由历史小说作家司马辽太郎同名小说改编的历史题材电影《燃烧吧！剑》。
2014年10月23日，伊藤英明透过事务所发表了自己结婚的消息。对方年龄比他小八岁，是普通公司任职的白领，两人于24日正式“入籍”。伊藤英明的妻子在2015年11月29日诞下长子，母子平安。
向来给人热血、健康形象的伊藤英明，这回在新片中饰演一位拥有反社会人格，为了达成目的而杀人的冷血英文教师。即便把大岛优子这位“AKB48”总选举冠军的人气王吓到痛哭落跑，但其实他私下也是“AKB48”的忠实粉丝。
知名男星伊藤英明虽然凭借轮廓分明的帅气长相和精湛演技拥有许多女粉丝，不过私底下的他和一般的宅男一样，是近来“制霸全国”的女子偶像组合AKB48的疯狂粉丝。