Trong thời kỳ Pháp thuộc, với vai trò là thủ phủ của Liên bang Đông Dương, Hà Nội đã thu hút một lượng đáng kể người Pháp, người Hoa và người Việt từ những vùng lân cận. Vào thập niên 1940, dân số thành phố được thống kê là 132.145 người, nhưng đến năm 1954 thì giảm xuống chỉ còn 53.000 dân trên một diện tích 152 km², điều này là do phần lớn người dân đã di tản lên những vùng Việt Minh kiểm soát sau khi thực dân Pháp trở lại chiếm đóng Hà Nội năm 1946. Sau khi chính quyền Việt Minh tiếp quản Hà Nội, hầu hết người Pháp và người Hoa đã rời bỏ thành phố để vào miền Nam hoặc trở về quê hương. Ở những làng ngoại thành, ven đô cũ, nơi người dân sống chủ yếu nhờ nông nghiệp, thường không có sự thay đổi lớn. Nhiều gia đình nơi đây vẫn giữ được gia phả từ những thế kỷ XV, XVI. Trong nội thành, chỉ còn lại vài dòng họ đã định cư liên tục tại Thăng Long từ thế kỉ XV như dòng họ Nguyễn ở phường Đông Tác. Do tính chất của công việc, nhiều thương nhân và thợ thủ công ít khi trụ nhiều đời tại một điểm. Gặp khó khăn trong kinh doanh, những thời điểm sa sút, họ tìm tới vùng đất khác. Cũng có những trường hợp, một gia đình có người đỗ đạt được bổ nhiệm làm quan tỉnh khác và đem theo gia quyến, đôi khi cả họ hàng.Các thống kê trong lịch sử cho thấy dân số Hà Nội tăng nhanh trong nửa cuối thế kỷ XX. Vào thời điểm năm 1954, thành phố có 53.000 dân, trên một diện tích 152 km². Đến năm 1961, thành phố mở rộng diện tích lên 584 km² với dân số 91.000 người. Năm 1978, Quốc hội quyết định mở rộng thủ đô lần thứ hai với diện tích đất tự nhiên 2.136 km², dân số 2,5 triệu người. Tới năm 1991, địa giới Hà Nội tiếp tục thay đổi, chỉ còn 924 km², nhưng dân số vẫn ở mức hơn 2 triệu người. Trong suốt thập niên 1990, với việc các khu vực ngoại ô dần được đô thị hóa, dân số Hà Nội tăng đều đặn, đạt con số 2.675.166 người vào năm 1999. Sau đợt mở rộng địa giới hành chính vào tháng 8 năm 2008, thành phố Hà Nội có hơn 6,23 triệu dân và nằm trong 17 thủ đô có diện tích lớn nhất thế giới. Theo kết quả cuộc điều tra dân số ngày 1 tháng 4 năm 2009, dân số toàn Hà Nội là 6.451.909 người. Dân số trung bình của thành phố năm 2010 là 6.561.900 người. Tính đến hết năm 2015, dân số Hà Nội là 7.558.956 người. Tính đến ngày 1 tháng 4 năm 2019, dân số Hà Nội là 8.053.663 người, trong đó 49,2% dân số (tức 3,96 triệu người) sống ở thành thị, và 50,8% dân số sống ở nông thôn (tức 4,09 triệu người).Về cơ cấu dân số, cư dân Hà Nội chủ yếu là người Kinh, chiếm tỷ lệ khoảng 99%, theo sau là người Mường, người Tày và các dân tộc thiểu số khác. Đồng bào các dân tộc thiểu số sinh sống xen kẽ với người Kinh ở tất cả 30 đơn vị hành chính cấp huyện của thành phố, trong đó cư trú tập trung ở 14 xã của 5 huyện Ba Vì, Thạch Thất, Quốc Oai, Chương Mỹ và Mỹ Đức. Tính đến năm 2019, toàn thành phố có 278.450 người theo 9 tôn giáo khác nhau, nhiều nhất là Công giáo có 192.958 người, tiếp theo là Phật giáo đạt 80.679 người, đạo Tin lành có 4.226 người, còn lại các tôn giáo khác như đạo Cao Đài, Hồi giáo, Baha'i giáo, Phật giáo Hòa Hảo, Minh Lý đạo, Minh Sư đạo và Tịnh độ cư sĩ Phật hội Việt Nam.
Trong thời kỳ Pháp thuộc, với vai trò là thủ phủ của Liên bang Đông Dương, Hà Nội đã thu hút một lượng đáng kể người Pháp, người Hoa và người Việt từ những vùng lân cận. Vào thời điểm năm 1954, thành phố có 53.000 dân, trên một diện tích 152 km².