寬政6年（1794年）12月，伊能忠敬50歲時把家督讓給長子伊能景敬。次年前往江戶。拜江戶幕府天文方的高橋至時（日語：高橋至時）為師，學習測量和天文觀測。此時伊能忠敬提出利用天體觀測來測量地面距離，如果相距過近絕對誤差的影響會很大，而如以江戶到蝦夷地（現在北海道）為基準的話絕對誤差影響就會小很多。這也是伊能忠敬後來親自走遍日本沿海繪製地圖的原因之一。
寬政12年（1800年）、56歲的伊能忠敬自費開始第1次測量。最初前往蝦夷地以及關東北部和日本的東北地區。伊能忠敬委派弟子間宮林藏測量北海道的宗谷地區。伊能忠敬的測量精度很高，幕府出於自身利益，同時為了了解薩摩藩的虛實逐漸開始資助伊能忠敬的測量。伊能忠敬測量了江戶深川到野邊地町的距離，計算出緯度1度的本初子午線長度約為28里2分（110.7公里左右），從而推算出地球周長為4萬公里。和現在測量的地球實際周長只有0.1%的誤差。
伊能忠敬在取得全國測繪數據的基礎上製作了《大日本沿海輿地全圖》。文化15年（1818年）伊能忠敬去世。地圖於文政4年（1821年）高橋至時的兒子高橋景保（日語：高橋景保）完成。伊能忠敬的墓在現今東京都東上野六丁目的源空寺（日語：源空寺）。高橋至時，高橋景保父子的墓也隨葬左右。香取市佐原觀福寺有伊能忠敬的遺髪塚。