1745年 上総国山辺郡小関村（現・千葉県山武郡九十九里町小関）の名主・五郎左衛門家で生まれる。6才の時母が亡くなり婿養子だった父は兄と姉を連れ実家の武射郡小堤村（現・横芝光町小堤）の神保家に戻るが、三治郎は祖父母の元に残る。その後生家を叔父（母の弟）が継ぎ、三治郎が10才の時に父の元に引き取られる。

1762年、18歳の時に、下総国香取郡佐原村（現・香取市佐原）の伊能家に婿養子に入り、以来しばらくは商人として活動する。伊能家は、酒､醤油の醸造､貸金業を営んでいた他、利根水運などにも関っていた。商人としてはかなりの才覚の持ち主であったようで、伊能家を再興したほか、佐原の役職をつとめたなどの記録が残されている。また、かなりの財産を築いた。

1794年、50歳の時に隠居し、家督を長男景敬に譲ったのち、江戸に出る。江戸幕府の天文方・高橋至時に師事し、測量・天文観測などをおさめる。

1800年、56歳の時に、第1次測量を開始。これは、測量家としての腕を見込まれたことのほか、忠敬が私財を投じて測量事業を行おうとしたことが幕府にとっても有益だと判断されたということがあったようである。最初の測量は蝦夷地（現在の北海道）およびその往復の北関東・東北地方において行われた。ただし、忠敬の測量が極めて高度なものであったことから、その後徐々に幕府からの支援は増強され、国家的事業に育っていった。

こうして作られたのが大日本沿海輿地全図であり、大変精度の高い日本地図として評価された。完成したのは忠敬没後の1821年であった（仕上げ作業を担当したのは高橋至時の子、高橋景保）。墓地は上野源空寺（源空寺には、高橋景保・高橋至時・伊能忠敬の大日本沿海輿地全図組三人頭の墓が並んでいる）。また佐原の観福寺にも遺髪をおさめた参り墓がある。

後年（1828年）、シーボルトがこの日本地図を国外に持ち出そうとしたことが発覚。これに関係した日本の蘭学者（至時の息子高橋景保ら）などが処罰された（→シーボルト事件）。

伊能忠敬は、深川界隈に住居を構え、全国測量の旅に出かける際は、安全祈願のために、富岡八幡宮に必ずお参りに来ていたことから、2001年に当八幡宮の境内に銅像が建立された。