1993年，伊藤步通過參演大林宣彥執導的奇幻電影《水的旅行者》中以演員身份正式出道。
1996年，伊藤步在巖井俊二執導的文藝電影《燕尾蝶》中飾演了倔強的少女鳳蝶壹角 ，當時16歲的她憑借在該片中的不俗表現獲得了第20屆日本電影學院獎優秀助演女優獎和最佳新人獎。
1997年，參演日高圭智主演的治愈系電影《夏天的大人們》。
1998年，伊藤步出演了今村昌平執導的歷史戰爭片《肝臟大夫》；同年還加盟了竹野內豐主演的哲理劇《世紀末之詩》的最終集 。
1999年4月，與廣末涼子、池脅千鶴、小池榮子等人聯合出演野島伸司編導的社會劇《唇膏》，飾演被關在少年收容所的少女之壹；同年還參演了音樂戲劇電影《自傲的喉嚨》。
2001年，伊藤步再次出演巖井俊二的執導的文藝片《關於莉莉周的壹切》 ，在影片中為配合角色劇情將美麗的秀發剃光變成光頭，引起當時話題度 ；9月，伊藤步與村上淳聯合接拍了“”ジャックスカードCM的壹系列廣告；同年，伊藤步還與原“JUDY AND MARY”組合中的歌手YUKI、CHARA，以及另外兩名歌手YUKARIE，地脅真由美四人結成了五人音樂組合“Mean Machine”，並以“AYUMI”的名義活躍在組合中。該組合的首張單曲《スーハー》被選為朝日電視臺東京國際馬拉松、福岡國際馬拉松、全日本大學長距離接力賽跑校訂錦標賽的電視節目的印象曲，這首單曲包括2張CD碟與壹本照片集 。
2002年4月，在中山裕介主演的喜劇《婚禮策劃人》中飾演婚姻策劃公司的職員相沢くるみ。
2003年，與大竹忍聯袂出演了喜劇電影《貓頭鷹》，並在片中挑戰了裸體鏡頭。
2004年3月，伊藤步第三度加盟巖井俊二執導的文藝片《花與愛麗絲》；6月，搭檔吉澤悠聯合出演的喜劇電影《有信仰的人》在日本首映 ；同年，伊藤步還參演了大林宣彥執導的懸疑劇情片《理由》。
2005年，伊藤步主演了時代電影《謝幕》，飾演雜誌編輯者橋本香織，這也是其出道以來首次擔任電影的主演；10月，加盟了鈴木京香主演的時代劇SP《青春之門 築豐篇》。
2006年，與中國演員苗圃、吳啟華聯袂出演張加貝執導的驚悚恐怖電影《陶器人形》 ，並在片中扮演男主角富明的女傭林輝；同年4月，與市原隼人、井上真央、柄本佑聯袂出演的青春群像電影《夏日的沖繩》在日本上映 。
2007年2月，伊藤步從原本所屬humanite事務所移籍到anore事務所；4月1日，再次與村上淳合作“エース プロテカ protecA”廣告的「NEW TRAVEL」篇；接著，與小田切讓、樹木希林等人合作的溫情親情電影《東京塔》在日本首映；同年，與中國演員張震、張艾嘉、李雪健聯袂出演田壯壯執導的人物傳記影片《吳清源》，並在該片中扮演了吳清源的妻子中原和子 ；此外，伊藤步還參演了神木隆之介與大後壽壽花聯合主演的青春電影《消失在遠空中》，在該片中扮演了壹名小學教師。
2008年8月，參演的劇情片《東京！》在日本上映，該片是米歇爾·岡瑞、萊奧·卡拉克斯、奉俊昊3名知名導演以東京的街道為舞臺而拍攝的集錦片 ；10月18日，伊藤步受邀出席了第21屆東京國際電影節的開幕式 ；11月，在阿部寬主演的校園電影《青鳥》中飾演女老師島崎美幸。
2009年，出演音樂短篇電影《藍太平洋物語》，該片是由三位音樂人執導的短片集，伊藤步出演的是其中Micro導演的《甘菊之翼》。
2010年1月，與赤西仁、北乃紀伊聯袂出演的音樂電影《繃帶》在日本上映 ；3月，伊藤步主演了TBS電視臺制作的4夜連續特別劇《記憶之海》，扮演研究小組的研究員小野裏美壹角 ；8月12日，伊藤步開始出演日本電視臺放送的綜藝節目《主演 さまぁ?ず ?設定 美容室?》，這是其首次挑戰綜藝節目的演出 ；同年，伊藤步還與宮崎葵、高良健吾、桐谷健太聯袂出演了音樂勵誌電影《樂與路》 。
2011年1月，與二宮和也、松山健壹、吉高由裏子聯袂出演的漫改動作電影《殺戮都市》在日本首映 ，飾演身亡的知名女演員鮎川映莉子；4月，加盟井上真央主演的NHK晨間劇《太陽公公》，扮演女主角小學時代的導師高橋夏子 。
2012年1月，伊藤步與小泉今日子、池脅千鶴、小池榮子合作出演了由推理小說作家湊佳苗同名原著改編的懸疑日劇《贖罪》 ；10月，加盟菅野美穗與天海佑希聯袂主演的社會劇《不結婚》，飾演角色工藤純平（玉木宏飾）就讀於的美術大學時期的後輩河野瑞希；同年伊藤步主演了劇情片《The Room》 。
2013年1月，主演的勵誌劇情片《全力以赴的人生》在日本上映，該片以島根縣的北方50千米中浮現的隱岐諸島為舞臺，通過古典大相撲來刻畫在島上生活人們的身姿 ；2月，伊藤步又由ANORE事務所移籍到seventh avenue事務所，與松島菜菜子、井上真央同屬壹家事務所；接著與高良健吾、吉高由裏子、池松壯亮聯袂出演的治愈系電影《橫道世之介》在日本首映，飾演有著豐富人生閱歷的學姐片瀨千春 ；4月，在瀧澤秀明主演的美食深夜劇《深夜烘培坊》裏飾演男主角暮林陽介的亡妻暮林美和子 ；8月22日，參演的愛情電影《沙尼達爾之花》正式入圍了在加拿大召開的第37屆蒙特利爾國際電影節的“世界電影焦點單元” 。
2014年1月，與妻夫木聰、北川景子、鈴木京香等人聯袂出演的喜劇電影《菜鳥評審團》在日本首映 ；4月，她還參演了堺雅人主演的懸疑日劇SP《潘多拉：永恒的生命》 ；6月22日，伊藤步亮相了第17屆上海國際電影節 ；7月，出演上戶彩主演的倫理社會劇《晝顏：工作日下午3點的戀人們》，扮演女主角的出軌對象北野裕壹郎的妻子北野乃裏子 。
2015年1月，主演以“高意識系”為主題的深夜喜劇《高意識系男子》，與林遣都壹起合作 ；7月，搭檔小池徹平接拍日本電視臺制作的懸疑喜劇《恨嫁警花》，並在劇中飾演壹名忙於結婚活動的女警花田米子，這也是其出道22年以來首次主演民放臺日劇 。
2016年1月，加盟綾瀨遙主演的TBS電視臺金十檔暗黑系日劇《別讓我走》，飾演陽光學校的保健體育教師堀江龍子 。