Theo các thống kê trong lịch sử thì dân số Hà Nội tăng mạnh mẽ trong nửa thế kỷ gần đây. Vào thời điểm năm 1954, khi quân đội Việt Minh tiếp quản Hà Nội, thành phố có 53 nghìn dân, trên một diện tích là 152 km2. Đến năm 1961, thành phố được mở rộng với diện tích lên tới 584 km² và dân số là 91.000 người. Năm 1976, Quốc hội quyết định mở rộng thủ đô lần thứ hai với diện tích đất tự nhiên 2.136 km² và 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, cùng việc các khu vực ngoại ô dần được đô thị hóa, dân số Hà Nội tăng đều đặn và đạt con số 2.672.122 người vào năm 1999. Sau đợt mở rộng địa giới gần đây nhất vào tháng 8 năm 2008, thành phố Hà Nội có 6,233 triệu dân. So với con số 3,4 triệu dân vào cuối năm 2007, dân số thành phố đã tăng 1,8 lần và
Hà Nội cũng nằm trong 17 thủ đô có diện tích lớn nhất thế giới.
Hiện nay mật độ dân số Hà Nội, cũng như trước khi mở rộng địa giới hành chính, không đồng đều giữa các quận nội thành và khu vực ngoại thành. Trên toàn thành phố, mật độ dân cư trung bình là 1.875 người/km² nhưng quận Đống Đa mật độ lên tới 35.341 người/km². Trong khi đó ở những huyện như ngoại thành như Ba Vì, Mỹ Đức, Sóc Sơn, mật độ không tới 1.000 người/km². Sự khác biệt giữa nội thành và huyện ngoại thành còn thể hiện ở mức sống, điều kiện giáo dục, y tế... Về cơ cấu dân số, theo số liệu ngày 1 tháng 4 năm 1999, cư dân Hà Nội và Hà Tây khi đó chủ yếu là người Kinh với tỷ lệ 99,1%. Các dân tộc khác như Mường, Dao, Tày chiếm 0,9%.