20-åringen la til OL-gull til sin europeiske tittel, etter å ha passert den mangeårige lederen Timothy Cheruiyot fra Kenya, som tok sølv på 3:29.01.
Storbritannias Josh Kerr løp sitt livs løp for å vinne bronsemedaljen på 3:29.05.
Cheruiyot hadde vært den dominerende kraften i arrangementet de siste to årene før Tokyo, og vunnet 10 løp på trav, inkludert verdensmesterskapet i 2019, men det løpet endte ved de kenyanske forsøkene.
25-åringen bestemte seg for å hevde seg fra start, og gikk forbi Ingebrigtsen etter at nordmannen tok ledelsen etter 200 meter.
Cheruiyot økte gradvis tempoet og spredte pelotonet rett på ryggen på nest siste runde.
Bare Ingebrigtsen og australske Stewart McSweyn klarte å holde tritt med ham mens en annen kenyaner, Abel Kipsang, prøvde å tette hull.
Cheruiyot førte til klokken, det var da McSweyn ikke kunne finne den lenger og gikk bort.
Kipsang rykket til tredje men Cheruiyot klarte ikke å riste av seg Ingebrigtsen, som tok ledelsen i avslutningen.
Kenyaneren hadde ikke noe svar og tok til takke med sølv mens Kerr gikk forbi Kipsang for å ta tredjeplassen.
Ingebrigtsens seier ga Norge en andre minneverdig baneseier på Tokyo Games etter at Karsten Warholm slo sin egen verdensrekord ved å vinne 400 meter hekk for menn.