En 1850, Paris comptait environ 600 000 habitants. Elle s’est ensuite développée rapidement, l’expansion industrielle attirant un flux constant de personnes venant des provinces. En 1870, la population avait dépassé 1 000 000 d’habitants et, en 1931, l’agglomération comptait quelque 5 000 000 de personnes, dont plus de la moitié vivaient dans la ville de Paris, la ville administrative à l’intérieur des anciennes portes. Après la Seconde Guerre mondiale, cette croissance s’est poursuivie et, au début du XXIe siècle, le Grand Paris comptait plus de 10 millions d’habitants. La population de la ville de Paris, cependant, n’a cessé de diminuer, passant d’un pic d’environ 2 900 000 habitants en 1931 à environ 2 200 000 en 2012, de sorte qu’environ quatre Parisiens sur cinq étaient des banlieusards. Ce changement s’explique en partie par le fait que les relogements massifs ont réduit la forte densité de la ville, même si elle est restée bien supérieure à la moyenne de l’Europe du Nord. De nombreuses familles ont déménagé vers des maisons plus neuves et plus spacieuses dans les petites villes autour de la capitale, laissant à Paris une population vieillissante et curieusement solitaire, avec près de la moitié des ménages composés d’une seule personne. Pourtant, au cours des premières années du XXIe siècle, la population de la ville a commencé à augmenter lentement. Avec l’augmentation du taux de natalité et la tendance des personnes âgées à prendre leur retraite en dehors de la région de la capitale, la population parisienne a également rajeuni.
Les Parisiens nés à Paris sont plus nombreux que ceux nés en dehors de la ville, dont beaucoup conservent leurs attaches provinciales ou internationales. Par conséquent, de nombreux magasins, restaurants et quartiers ont une saveur régionale ou internationale française. Si la plupart des Parisiens de souche sont français, plus d’un dixième de la population est née à l’étranger. Environ un tiers des résidents étrangers de la ville sont originaires de pays membres de l’Union européenne, mais les groupes d’immigrants les plus importants sont les personnes d’origine africaine, en particulier les Arabes musulmans des pays d’Afrique du Nord (Algérie, Maroc et Tunisie). En général, les familles d’origine nord-africaine se regroupent dans les quartiers pauvres du nord ou, de plus en plus, dans les banlieues périphériques qui entourent la capitale. À la fin du XXe et au début du XXIe siècle, le chômage élevé et la faible mobilité sociale ont alimenté les tensions raciales et religieuses dans les banlieues.
Ces tensions ont débordé en octobre 2005 lorsque deux adolescents ont été accidentellement électrocutés alors qu’ils se cachaient de la police dans une sous-station électrique à Clichy-sous-Bois, une banlieue au nord-est de Paris. Les émeutes des minorités ethniques qui ont suivi ont mis fin à la conviction de nombreux Français que leur pays était exemplaire en termes d’intégration de personnes de religions et d’ethnies différentes. En trois semaines, les troubles se sont étendus des villes satellites autour de Paris à une grande partie du reste du pays. La discrimination et le manque d’opportunités dans les banlieues françaises fortement immigrées ont alimenté les protestations, qui ont atteint leur apogée dans la nuit du 7 novembre, touchant 274 communes dans tout le pays. Le lendemain, le président Jacques Chirac déclare l’état d’urgence. Ce n’est que le 17 novembre, après que près de 9 000 voitures aient été brûlées et que près de 3 000 arrestations aient été effectuées, que la police française a déclaré que le niveau des incendies de voitures était revenu à la « normale ». L’état d’urgence n’a été levé qu’en février 2006.
L’importante population noire de la ville est composée d’immigrés des départements français d’outre-mer de la Martinique et de la Guadeloupe, ainsi que de pays d’Afrique de l’Ouest et d’Afrique centrale comme le Sénégal, le Mali et la République démocratique du Congo. Beaucoup de ces immigrés habitent les quartiers nord-est de Paris, tout comme les personnes d’origine chinoise et turque. Les groupes d’immigrants d’Asie du Sud-Est sont concentrés dans le sud-est de Paris.
La plupart de la population est nominalement catholique romaine, bien que seul un petit pourcentage assiste régulièrement à la messe. Les musulmans sont une présence importante dans la ville, comme en témoignent ses dizaines de mosquées, dont la Grande Mosquée de Paris (1922-26) dans le 5e arrondissement. La communauté juive est centrée sur le quartier de la rue des Rosiers, dans le Marais, où l’on trouve de nombreuses synagogues, des magasins casher et des librairies hébraïques.