伊藤淳史出生于日本千叶县，就读法政大学经营学部毕业。所属于四分音经纪公司。

童星出身，在《爆笑假面战士》里饰演迷你假面战士而开始活跃，后来在卡路里伙伴的广告里以“年轻人加油！”的台词而出名，因为演出大热剧《电车男》里矮个子宅男而被大众知晓。

2009年4月，主演的电视剧《漂流网吧》播出，饰演土岐耕一；6月19日，出演的电视剧《父亲最长的一天》播出。

2010年10月18日，出演的电视剧《森林里的牵牛花》播出，在剧中扮演菜鸟狱警及川直树。

2011年2月21日，出演的电视剧《求婚兄弟》播出，饰演的是一位室内装饰设计师；11月19日，出演的电视剧《蝴蝶小姐》播出。

2012年5月14日，主演的电视剧《猎捕史奈克》播出；9月1日，出演的电视剧《跳跃大搜查线2012特别篇》播出；10月12日，主演的电视剧《猿飞三世》播出；10月15日，出演的电视剧《双面：潜入搜查篇》播出。

2013年1月17日，主演的电视剧《APOYAN～奔跑吧国际机场》播出。

2015年11月，与香川照之主演的《MOZU外传：大杉侦探事务所》分为两个篇章在TBS电视台和wowow电视台播出。

2016年9月28日，出演的电视剧《望乡》播出，担任《海之星》篇章的主演。主演人气手游《猫咪后院》的真人电影版。

2017年1月8日，出演的电视剧《大贫民》播出。7月主演深夜剧《脑中被放置了智能手机！》。

2018年1月12日，主演东京台周五深夜剧《OhMyJUMP！少年跳跃拯救地球》播出，剧中饰演很爱看《少年跳跃》，憧憬英雄故事的饮料公司营业人月山浩史。7月，参演富士台月九档播出的刑侦剧《绝对零度~未然犯罪潜入搜查~》，饰演精英刑警东堂定春。

2019年，出演朝日台特别剧《名侦探明智小五郎》。主演特别剧《今天，回家。》。参演电影《任侠学园》。

2015年10月29日，伊藤淳史的女儿诞生。11月1日，所属事务所通过传真传达了该喜讯。