牧野由依1986年1月19日出生于三重县一个有着音乐背景的家庭，自3岁起接受表演训练，最初师从叶加濑太郎学拉小提琴，4岁开始改学习钢琴；在高中时，她没有受过专门的声乐训练，而是一名攻读钢琴科的艺术生，2008年3月，牧野由依从东京音乐大学器乐专业钢琴科毕业。

1994年，8岁的她获选在岩井俊二执导的电影《情书》中演奏一段钢琴曲；2001年，为校园电影《关于莉莉周的一切》录制钢琴伴奏；2003年，担任青春电影《花与爱丽丝》配乐的主钢琴师。

2005年，与作曲家菅野洋子合作，为热血动画《创圣的大天使》演唱片尾曲《オムナマグニ》；同年4月配音出演奇幻动画《翼·年代记》里的小樱公主，并于8月发行为剧场版《翼·年代记：鸟笼国的公主》演唱的主题曲《アムリタ》。

2006年4月，为《水星领航员》第二季演唱主题曲《ユーフォリア》；同年7月，在爱情喜剧动画《欢迎来到NHK》里配音出演中原岬，并演唱了片尾曲《もどかしい世界の上で》；12月6日，发行首张个人专辑《天球の音楽》。

2007年4月，配音出演战争动画《地球防卫少年》中的往往爱子；同年10月，在校园动画《素描本》中为鸟饲叶月配音，并演唱了片尾曲《スケッチブックを持ったまま》；11月21日，为《翼·东京启示录》演唱片头曲《synchronicity》。

2008年1月，为电视动画《水星领航员》第三季演唱片头曲《スピラーレ》；3月26日，发行第二张专辑《マキノユイ。》。

2009年，在《穿越宇宙的少女》中配音出演河合穗野香；10月7日，发行为《素描本》演唱的另一首片尾曲《たんぽぽ水车》（单人版）。

2010年3月3日，发行单曲《ふわふわ?》，并由岩井俊二执导音乐录像；同年4月，为《AngelBeats!》中的游佐配音；11月10日，发行出道5周年纪念单曲《碧の香り》，作为电视动画《噬魂师》重播版的片尾曲。

2011年4月，发行歌曲《お愿いジュンブライト》，在电视动画《金钱掌控》中配音出演生田羽奈日，以及为《我们仍未知道那天所看见的花的名字。》中的亚纪配音；同年9月至11月，先后在中国香港、广州、上海、北京演出。

2012年3月3日至4月8日，在东京、大阪、名古屋、福冈和札幌举办了《ゆらり弾き语りの旅》弹唱巡演音乐会；同年5月1日，宣布从B.G.BCompany改签约至Amuse；12月1日至2日，参加在莫斯科举办“J-FEST2012”现代日本文化节，作为动漫歌手举行特别演唱会。

2013年1月，配音出演了都市剧《华丽的挑战》（译制版）的女主人公宫囍；同年7月，在电视动画《斯特拉女子学院高等科C3部》中配音出演大和由良，并参与演唱片尾曲《弾けろ！しーきゅーぶ！》。

2014年7月，为电视动画《法兰雀丝卡》中的同名主人公配音；8月20日，发行了自己演唱的主题曲《嗫きは“Crescendo”》。

2015年2月，发布出道10周年单曲《88秒フライト》；同年6月，与作曲家かの香织再次合作，发行第13张单曲《きみの选ぶみち》；10月7日，发行第4张个人专辑《タビノオト》。

2016年1月，配音出演《石膏boys》中的花屋敷米拉；同年4月，在电视动画《百武装战记》里配音出演艾莉卡·坎德尔；10月，担任动画电影《CYBORG009CALLOFJUSTICE》中的主角“国联军加蒂安兹的卡特莉娜·卡奈提中尉”的配音演员。

2017年5月10日，公开为电视动画《重启咲良田》演唱的片头歌曲《Reset》；同年7月，在电视动画《恋爱禁止的世界》中担任女主角之一真田莉莉奈的配音。

牧野由依的父亲从事于音乐行业，曾先后和“KRYZLER&KOMPANY”乐队一起工作、作为伴奏乐队参加过堀川丽美的巡回演出。由依的表妹石田绘里奈则是株式会社文化放送（及其前身茨城放送）的播音员。

牧野由依曾提到初恋是中学三年级时一个同班男生。

2007年7月，获选为中日文化交流事业活动的日本代表，与树海组合共同到访中国北京。

2015年11月13日，担任东京麻布消防署的一日消防警员，进行火灾预防检查及防火宣传。

牧野由依凭借在电视动画《翼·年代记》中作为配音演员扮演女主角“樱”小有名气；她以清纯甜美的萝莉音，不知不觉治愈了声优控们的心。

歌手牧野由依声音甜美，演唱的歌曲感人至深。牧野由依歌声清新温软，是日本动画音乐中亮眼的一员。她演唱的剧场版《翼·年代记》的主题曲，显示出对雄壮的叙事性歌曲不一样的表现力。

牧野由依从幼年时便展露出头角，担任起岩井俊二电影原声音乐的主要演奏者；牧野由依（钢琴）弹得真的很棒，才8岁的她突然弹起《情书》的曲子让人很吃惊。

牧野由依多才多艺，以动漫声优、钢琴家和歌手等多种不同身份展开活动，并在每个领域都取得了非常不错的成绩。