伊藤由奈出生于美国洛杉矶，父亲为日本人，母亲为韩裔美国人，家中还有一个比他小五岁的弟弟。在她三个月大的时候，全家搬到了夏威夷。她自小视玛丽亚·凯莉为偶像，5岁时就已经学习以多个八度的广音域唱歌，并曾在夏威夷当地50间高中的歌唱比赛中夺魁 。
13岁时，伊藤由奈决定要成为歌手，开始模仿自己喜欢的歌手的唱法，并在一年后首次登台演出。16岁时，伊藤由奈得到了一次与音乐公司签约的机会，但条件是让她做一个组合的成员，这让她感到失望，便拒绝了这个机会。2004年6月，伊藤由奈参加索尼音乐公司举办的试音活动，演唱了玛丽亚·凯莉的出道曲《VisionOfLove》，获得了在场评委的肯定。随后，伊藤由奈与索尼音乐公司签约 。
2006年3月，发行双主打单曲EP《Faith/Pureyes》。5月，发行单曲《Precious》，该曲为电影《海猿2：爱之界限》主题曲，累计销量逾20万张 。8月，发行单曲《Stuckonyou》及《Losin'》，前者为复古曲风，后者为Two-StepGarage曲风，均以限量7万张的形式发行。12月，为电影《NANA2》演唱插曲《Truth》 。
2007年1月，发行首张个人专辑《HEART》，专辑首周登上公信榜专辑榜冠军，累计销量逾52万张 。3月，为由筱原凉子主演的电影《Unfair电影版》演唱主题曲《I'mHere》。4月，举办首次日本国内巡回演唱会，途径大阪、福冈、札幌、名古屋和东京。6月，与乐团DefTech成员Micro合作，发行单曲《Mahaloha》 。9月，翻唱席琳·迪翁的歌曲《MyHeartWillGoOn》 。10月，发行单曲《UrbanMermaid》，以轻快的舞曲风格表达对女性的赞颂和鼓舞 。
2008年1月，与席琳·迪翁合唱歌曲《あなたがいる限り～AWORLDTOBELIEVEIN～》，该曲为席琳·迪翁的歌曲《AWorldToBelieveIn》的改编版 。2月，发行第2张个人专辑《WISH》，意图向听众传递出歌声的力量 。6月，与音乐人小林武史以及俄罗斯音乐指挥米哈伊尔.普雷特涅夫合作，为历史纪录片《GATE-ATRUESTORY-》演唱主题曲《GATE》 。9月，发行单曲《missyou》 。10月3日，发行单曲《恋はgroovy×2》 ，该曲后被改编为英文版，由伊藤由奈以“ChristineIto”的名义于同年12月发行 。
2010年6月，开展名为“想翻唱英文歌曲（IWanttoDoaWesternCover）”的特别企划，在官方网站上举办粉丝票选活动，最先被选出的歌曲《IDon'tWanttoMissaThing》作为数字单曲发行。10月，为由筱原凉子主演的电视剧《黄金猪》演唱主题曲《守ってあげたい》[19-20] 。12月，发行首张精选辑《LOVE～SinglesBest2005-2010～》 。
2011年，音乐活动显著减少，并与索尼唱片解约，此后逐渐淡出乐坛 。
伊藤由奈并非创作歌手，她的强项是其歌声和一口流利的英语。她音域甚广，歌声优美，仿佛能穿透空气和人心，现场演出时十分稳定。她的唱法不断进化，由清亮转为厚实，在重低音的音域部分游走，歌唱技巧也从压抑转为奔放 （搜狐、网易评）。
