Dân số trung bình năm 2010 là 3.412.612 người, chiếm xấp xỉ 4,41% dân số cả nước; mật độ dân số bình quân 307 người/km2. Dân số phân bố không đồng đều giữa các vùng trong tỉnh, vùng đồng bằng và ven biển 814 người/km2; vùng trung du, miền núi 122 người/km2.
Tốc độ tăng dân số bình quân thời kỳ 2001-2005 là 1,0%/ năm, thấp hơn mức tăng dân số trung bình cả nước (1,37%). Những năm gần đây, do công tác DS và KHH gia đình trong tỉnh được thực hiện thường xuyên và có hiệu quả, nhận thức của nhân dân ngày càng cao nên tốc độ tăng dân số của tỉnh có xu hướng giảm từ 1,17% (thời kỳ 1996 - 2000) xuống còn
1,00% (thời kỳ 2001-2005). Năm 2006, tỷ lệ tăng dân số tự nhiên toàn tỉnh là 0,78% và năm 2007 là 0,76%, năm 2009 là 0,99%.
Thành phần dân tộc: Kinh 84,75%, Mường 8,7%, Thái 6%, còn lại là các dân tộc khác như H’Mông, Dao, Hoa... chiếm một tỷ trọng nhỏ.
Dân số trong độ tuổi lao động của tỉnh năm 2009 là 2068,56 ngàn người, chiếm 68% tổng dân số. Trong đó, lao động nông lâm nghiệp chiếm tới 72% tổng số lao động xã hội.
Về chất lượng dân số: Thanh Hoá có cơ cấu dân số tương đối trẻ, sức khỏe tốt. Tại một số huyện miền núi phía Tây, nhất là các huyện giáp biên giới do phần lớn dân cư là người dân tộc với nhiều tập tục lạc hậu, sống rải rác ở các khu vực vùng cao, vùng sâu, vùng xa, điều kiện đầu tư cho giáo dục khó khăn... nên trình độ dân trí và học vấn của dân cư còn thấp, tình trạng tái mù chữ còn tương đối phổ biến.
Về phân bố dân cư: Hầu hết dân cư sinh sống ở địa bàn nông thôn, năm 2009 dân số nông thôn chiếm gần 89% dân số toàn tỉnh.Mức độ đô thị hoá, phát triển công nghiệp và dịch vụ ở Thanh Hóa trong những năm qua còn rất thấp.
Trong những năm qua, ngoài tình trạng di cư tự do trong nội bộ các huyện vùng cao biên giới của tỉnh, đồng bào người Mông ở các tỉnh miền núi phía Bắc chuyển đến khá đông, nảy sinh những vấn đề phức tạp trong quản lý dân cư, an ninh chính trị và trật tự xã hội, bảo vệ tài nguyên rừng.