伊藤龙马2006年转入职业，2010年首次夺得挑战赛冠军。2010年11月，伊藤龙马夺得广州亚运会网球男单铜牌。

2012年1月，伊藤龙马在澳网首轮四盘击败波蒂托·斯塔雷斯，取得大满贯正赛首胜。6月，伊藤龙马在荷兰草地赛击败马顿·福乔维奇和约尔根·梅尔泽，打进生涯首个巡回赛八强。10月，伊藤龙马在日本公开赛首轮7-64、7-65击败尼古拉斯·阿尔玛格罗，生涯首胜TOP20。2012年，伊藤龙马参加了伦敦奥运会，首轮3-6、4-6不敌米洛斯·拉奥尼奇。

2014年8月，从资格赛突围的伊藤龙马在美网首轮收到斯蒂夫·约翰森退赛礼，取得美网正赛首胜。10月，在日本公开赛首轮中，伊藤龙马7-5、6-2爆冷击败斯坦尼斯拉斯·瓦林卡，生涯首胜TOP10。