东京奥运会乒乓球比赛设5块金牌，其中混双金牌为新增设的项目，许昕/刘诗雯在混双决赛里3-4输给水谷隼/伊藤美诚，水谷隼/伊藤美诚获得这枚奥运金牌。伊藤美诚随后还获得女单铜牌及女团银牌，但先后两次在关键比赛中输给中国队的同龄对手孙颖莎。
伊藤美诚表示：“因为我一直和左手选手搭档，所以我想跟许昕配合试试（跨国混双），还有和我一样大的王楚钦。”对于伊藤美诚的这一愿望，不少中国球迷猜测她还是想赢孙颖莎。
成为日本乒乓球历史上第一位奥运会冠军，并在一届奥运里集齐金银铜牌，伊藤美诚在日本国内的人气暴涨。而在中国这边，因为伊藤美诚与孙颖莎之间的相互竞争，以及国乒丢掉一块奥运金牌，伊藤美诚也更加成为舆论关注的对象。奥运会女单半决赛，孙颖莎赛4-0完胜伊藤美诚为中国队包揽女单冠亚军立下汗马功劳，中国球迷赛后就自创“莎气藤藤”、“莎伊儆百”等网络新词汇。而伊藤美诚那些比较特别的花式发球动作，也被国内不少营销号当做热炒的题材。
对于这些网络恶搞，伊藤美诚表示她并不在意，她透露在场下她与孙颖莎是非常好的朋友，她希望她们俩能不断相互促进、共同进步。伊藤美诚公开表达想与许昕或者王楚钦搭档的愿望，也被网友们看做“以攻为守”的策略。伊藤美诚的搭档水谷隼已经32岁，奥运会结束后就明确表露过要退役的想法，而且水谷隼的腰伤和眼疾也令他客观上难以继续征战赛场。伊藤美诚这几年在日本国内的全国锦标赛上，混双的固定搭档是森园政崇，但显然目前来看森园政崇难以成为伊藤美诚的最佳搭档。
这次东京奥运会女单半决赛前，伊藤美诚对孙颖莎的战绩是2胜6负，其中2019年瑞士公开赛伊藤美诚曾4-2赢过一次孙颖莎，此后伊藤美诚遭遇对孙颖莎的四连败。这次东京奥运会女单半决赛，伊藤美诚0-4输给孙颖莎，女团决赛伊藤美诚1-3输给孙颖莎。对此，伊藤美诚表示，孙颖莎虽然在奥运会上夺金，但是没有发挥出全部实力，自己会“咬住”她刻苦训练。2021年世乒赛11月将在美国举行，希望届时有机会再跟孙颖莎比拼，因为“还是想赢孙颖莎”。
伊藤美诚、张本智和前几年多次通过媒体高喊，要打倒国乒拿奥运金牌，就连日本女乒主教练马场美香也罕见地公开表达过这样的心愿，其主要原因是日乒受到了日本奥委会的巨额资助。东京奥委会从2008年4月起成立精英学院，花重金扶持乒乓球等重点项目。日媒最新报道称，进入东京奥运会周期日本奥委会不仅出资为精英学院聘请多名中国籍教练、陪练，还以海量方式派遣日本球员到处参加国际乒联的赛事，以捞取国际积分和排名，在东京奥运会开赛前的四年内设立情报组拍摄了国乒近3万场比赛的影像。随着东京奥运会举办产生的巨额亏损，日本乒乓球国家队今后已经不可能像上一个奥运周期那样得到日本奥委会的巨额资金支持，精英学院也即将倒闭，这也是仓岛洋介、马场美香这两位日本男队和女队主教练相继宣布辞职的主要原因。
