Vuonna 1850 Pariisissa oli noin 600 000 asukasta. Sen jälkeen se kasvoi nopeasti, kun teollisuuden laajeneminen houkutteli jatkuvasti väkeä maakunnista. Vuoteen 1870 mennessä väkiluku oli ylittänyt 1 000 000 asukkaan rajan, ja vuoteen 1931 mennessä taajamassa asui noin 5 000 000 ihmistä, joista yli puolet asui Pariisin kaupungissa, hallinnollisessa kaupungissa vanhojen porttien sisällä. Toisen maailmansodan jälkeen kasvu jatkui, ja 2000-luvun alussa Suur-Pariisissa oli yli 10 000 000 asukasta. Pariisin kaupungin väkiluku kuitenkin väheni tasaisesti, noin 2 900 000 asukkaan huipusta vuonna 1931 noin 2 200 000 asukkaaseen vuonna 2012, joten noin neljä viidestä pariisilaisesta oli esikaupunkilaisia. Siirtymä tapahtui osittain siksi, että massiivinen asuntorakentaminen vähensi kaupungin suurta asukastiheyttä, vaikkakin se pysyi selvästi Pohjois-Euroopan keskiarvon yläpuolella. Monet perheet muuttivat uudempiin ja tilavampiin koteihin pääkaupunkia ympäröiviin pienempiin kaupunkeihin, minkä seurauksena Pariisin väestö ikääntyy ja on kummallisen yksinäistä, sillä lähes puolet kotitalouksista koostuu vain yhdestä henkilöstä. Kuitenkin 2000-luvun ensimmäisinä vuosina kaupungin väkiluku alkoi hitaasti kasvaa. Syntyvyyden kasvaessa ja ikääntyneiden pyrkiessä eläkkeelle pääkaupunkiseudun ulkopuolelle myös pariisilaisväestö nuorentui.
Pariisissa syntyneitä pariisilaisia on enemmän kuin kaupungin ulkopuolella syntyneitä, joista monet säilyttävät maakunnalliset tai kansainväliset siteensä. Siksi monissa kaupoissa, ravintoloissa ja asuinalueilla on ranskalainen alueellinen tai kansainvälinen maku. Vaikka useimmat muut kuin syntyperäiset pariisilaiset ovat ranskalaisia, yli kymmenesosa väestöstä on ulkomailla syntyneitä. Noin kolmannes kaupungin ulkomaalaisista asukkaista on kotoisin Euroopan unionin jäsenvaltioista, mutta suurimmat maahanmuuttajaryhmät ovat afrikkalaista alkuperää olevia ihmisiä – erityisesti Pohjois-Afrikan maista Algeriasta, Marokosta ja Tunisiasta kotoisin olevia arabimuslimeja. Pohjoisafrikkalaista alkuperää olevat perheet keskittyvät yleensä köyhiin pohjoisiin kaupunginosiin tai yhä useammin pääkaupunkia ympäröiviin syrjäisiin banlieuesiin (esikaupunkeihin). Korkea työttömyys ja vähäinen sosiaalinen liikkuvuus ruokkivat 1900-luvun lopulla ja 2000-luvun alussa rotuun ja uskontoon liittyviä jännitteitä banlieuesissa.
Jännitteet kärjistyivät lokakuussa 2005, kun kaksi teini-ikäistä sai tapaturmaisesti sähköiskun piileskellessään poliiseja sähköasemalla Pariisin koillispuolella sijaitsevassa Clichy-sous-Bois’n banlieuesissa. Sitä seuranneet etnisten vähemmistöjen mellakat romuttivat monien ranskalaisten uskomuksen siitä, että heidän maansa oli ollut esimerkillinen eri uskontoja ja etnisiä ryhmiä edustavien ihmisten integroitumisessa. Levottomuudet levisivät kolmen viikon aikana Pariisia ympäröivistä satelliittikaupungeista suureen osaan muuta maata. Syrjintä ja mahdollisuuksien puute Ranskan maahanmuuttajapainotteisissa esikaupungeissa ruokki mielenosoituksia, jotka huipentuivat marraskuun 7. päivän yönä ja koskivat 274 kuntaa eri puolilla maata. Seuraavana päivänä presidentti Jacques Chirac julisti hätätilan. Vasta 17. marraskuuta, kun lähes 9 000 autoa oli poltettu ja lähes 3 000 pidätystä tehty, Ranskan poliisi ilmoitti, että autojen polttaminen oli palannut ”normaalitasolle”. Poikkeustila kumottiin vasta helmikuussa 2006.
Kaupungin huomattava mustaihoinen väestö koostuu maahanmuuttajista Ranskan merentakaisista departementeista Martiniquesta ja Guadeloupesta sekä Länsi- ja Keski-Afrikan maista, kuten Senegalista, Malista ja Kongon demokraattisesta tasavallasta. Monet näistä maahanmuuttajista asuvat Pariisin koillisosissa, samoin kuin kiinalaista ja turkkilaista alkuperää olevat ihmiset. Kaakkois-Aasiasta tulevat maahanmuuttajaryhmät ovat keskittyneet Pariisin kaakkoisosaan.
Väestöstä suurin osa on nimellisesti roomalaiskatolisia, vaikka vain pieni osa käy säännöllisesti messussa. Muslimit ovat tärkeä osa kaupunkia, mistä ovat osoituksena kymmenet moskeijat, mukaan lukien Grande Mosquée de Paris (1922-26) viidennessä arrondissementissa. Juutalaisyhteisö keskittyy Marais’n kaupunginosan rue des Rosiers’n kortteliin, jossa on lukuisia synagogia, kosher-liikkeitä ja heprealaisia kirjakauppoja.