生于东京都，卒于东京都。早年留学美国，1953年毕业于东京大学工学部土木学科，1959年取得东京大学工学博士学位并担任该校讲师，1960年任东京大学副教授，1972年任东京大学教授，1991年成为日本埼玉大学教授、东京大学名誉教授，1997年任拓殖大学教授。

伊藤学曾担任国际桥梁与结构工程协会主席、日本学术会议会员、日本风工程委员会委员长、日本钢结构协会会长、日中科学交流协会理事、日中道路桥梁技术学会会长等职，还担任了日本许多著名世界级大桥建设委员会的委员长或委员。此外，还担任了中国铁道科学研究院名誉研究教授、同济大学名誉教授、北京交通大学顾问教授、中国苏通大桥技术顾问。在学术研究方面，伊藤学共发表论文近200篇，出版专著20余部，其代表作包括《超长大桥梁建设的序幕（技术者的新挑战）》《桥梁造型》等。