2010年，佐藤美弥首次入选日本女排。2014年4月19日，她入选日本女排国家队31人大名单。2017年8月17日，在女排亚锦赛半决赛比赛中，佐藤美弥得到3分。随后9月10日，在女排大冠军杯第五轮比赛中，佐藤美弥连击失误，荒木绘里香背飞被判出界，最终日本队挑战打手成功，使得比分追至13平。次年3月，日本女排国家队集训名单出炉，其中佐藤美弥入选。同年7月27日，她入选日本女排美国集训16人名单。9月1日，在雅加达亚运会女排季军赛中，佐藤美弥得到1分。2019年9月7日，东道主日本女排公布了2019年女排世界杯15人名单，佐藤美弥入选二传。同月29日，她在女排世界杯比赛中得到3分，帮助日本女排6胜5负位列第五收官。次年1月27日，佐藤美弥入选2020年国家队29人大名单。2021年7月19日，日本女排二传佐藤美弥宣布退役。
2010年，佐藤美弥首次入选日本女排。2014年4月19日，日本排协在官网上公布了2014年日本女排国家队31人大名单，佐藤美弥入选。2017年3月9日，日本女排全明星赛28人大名单确定，其中佐藤美弥入选。同月23日，日本排球协会发布了2017年
27人大名单，佐藤美弥入选二传。7月16日，佐藤美弥在世界女排大奖赛中得到2分。8月17日，在女排亚锦赛半决赛比赛中，佐藤美弥得到3分。随后9月10日，在女排大冠军杯第五轮比赛中，佐藤美弥连击失误，荒木绘里香背飞被判出界，最终日本队挑战打手成功，使得比分追至13平。
2018年3月，日本女排国家队集训名单出炉，此番集训共有29人入选，其中佐藤美弥入选。同年7月27日，她入选日本女排美国集训16人名单。9月1日，2018年雅加达亚运会女排比赛进入收官日，韩国女排3-1力挫日本斩获铜牌，佐藤美弥得到1分。2019年6月19日，佐藤美弥在世界女排联赛比赛中得到3分。9月7日，2019年女排世界杯在日本举行，东道主日本女排公布了15人名单，佐藤美弥入选二传。同月29日，在女排世界杯比赛中，佐藤美弥得到3分，帮助日本女排6胜5负位列第五收官。次年1月27日，佐藤美弥入选2020年国家队29人大名单。
2021年9月27日消息，佐藤美弥和日本男排国家队二传藤井直伸在个人社交媒体宣布了二人的婚讯。2023年2月28日，佐藤美弥和藤井直伸结婚才半年，藤井直伸就被查出患有胃癌(已经到了第四期)。3月10日，藤井直伸因晚期胃癌医治无效于3月10日去世。