井上小百合出生于埼玉县本庄市。初中三年级时在FM东京节目《SCHOOL OF LOCK!》听到该节目与乐天“Toppo”合作企划的“Toppa4”甄选活动，遂报名参加，结果获得演出机会。2011年高中二年级时参加日本电视台综艺节目《偶像之穴〜寻找Nittelegenic！〜》的演出，并获得候补生“最佳女孩奖”。后来因健康状况不佳，频繁进出医院，遂以考上大学社会福利学系为目标。

2011年夏季在杂志上见到乃木坂46第一期成员甄选活动，遂报名参加。审查时演唱《真实自我》（自分らしさ），于是甄选合格。由于从埼玉县老家通车至乃木坂46练习处所相当遥远，16岁时转校至东京并一人在外租屋独居。

2012年2月22日乃木坂46的第一张单曲《窗帘围绕》发售，该团体正式出道；2013年3月9日高中毕业。2014年5月30日起参与乃木坂的音乐舞台剧《16人的主角trois》演出，投票数获得主要十角色之一。同年10月8日在乃木坂第10张单曲《第几次的蓝天？》所收录的《那天我随口说了一个谎言（あの日 僕は咄嗟に嘘をついた）》，井上首度担任中心阵位。2015年1月1日播出的“CDTV Special!跨年Premium Live 2014→2015”节目中，代替生田绘梨花表演《第几次的蓝天？》，这也是她首度站上主打歌的中心阵位。

2017年8月31日应邀担任其故乡本庄市首任观光宣传大使、Hanipon大使，同年9月4日则终于在第19张单曲入选福神位。井上14度进入选拔成员，却在第19张单曲才入选福神，创下该团史上最长记录。2017年10月1日起，自渡边米莉爱手中接任广播节目《乃木坂46的“乃”》的主持工作，成为第12任主持人。