Under 1850 hade Paris cirka 600 000 invånare. Den växte sedan snabbt i takt med att den industriella expansionen drog till sig en ständig ström av människor från provinserna. År 1870 hade befolkningen överskridit 1 000 000 och 1931 hade tätorten cirka 5 000 000 invånare, varav mer än hälften bodde i staden Paris, den administrativa staden inom de gamla portarna. Efter andra världskriget fortsatte denna tillväxt och i början av 2000-talet hade Greater Paris över 10 000 000 invånare. Befolkningen i Paris stad minskade dock stadigt, från en toppnotering på cirka 2 900 000 år 1931 till cirka 2 200 000 år 2012, så att cirka fyra av fem parisare var förortsbor. Skiftet skedde delvis på grund av att massiv omlokalisering minskade stadens höga täthet, även om den fortfarande låg långt över det nordeuropeiska genomsnittet. Många familjer flyttade ut till nyare och rymligare bostäder i de mindre städerna runt huvudstaden, vilket gjorde att Paris stad fick en åldrande och märkligt solitär befolkning, där nästan hälften av hushållen bara består av en person. Men under de första åren av 2000-talet började stadens befolkning sakta att öka. Med stigande födelsetal och äldre personer som tenderar att gå i pension utanför huvudstadsregionen blev Paris befolkning också yngre.
Parisfödda parisare är fler än de som är födda utanför staden, varav många behåller sina provinsiella eller internationella band. Därför har många butiker, restauranger och stadsdelar en fransk regional eller internationell prägel. Även om de flesta Parisbor som inte är infödda är fransmän är mer än en tiondel av befolkningen utlandsfödda. Ungefär en tredjedel av stadens utländska invånare kommer från EU:s medlemsländer, men de största invandrargrupperna är folk med afrikanskt ursprung – särskilt muslimska araber från de nordafrikanska länderna Algeriet, Marocko och Tunisien. I allmänhet samlas familjer med nordafrikanskt ursprung i de fattigare norra kvarteren eller, i allt större utsträckning, i de perifera banlieues (förorter) som omger huvudstaden. I slutet av 1900-talet och början av 2000-talet gav den höga arbetslösheten och den låga sociala rörligheten upphov till rasmässiga och religiösa spänningar i banlieues.
Dessa spänningar kokade upp i oktober 2005 när två tonåringar råkade få en elchock när de gömde sig för polisen i en elstation i Clichy-sous-Bois, en banlieue nordost om Paris. De upplopp bland etniska minoriteter som följde gjorde att många fransmän inte längre trodde att deras land hade varit ett föredöme när det gällde integrationen av människor av olika religioner och etniciteter. Under tre veckor spred sig oroligheterna från satellitstäderna runt Paris till stora delar av resten av landet. Diskriminering och brist på möjligheter i Frankrikes förorter med många invandrare gav bränsle åt protesterna, som kulminerade natten till den 7 november och berörde 274 kommuner runt om i landet. Följande dag förklarade president Jacques Chirac undantagstillstånd. Det var inte förrän den 17 november, efter att nästan 9 000 bilar hade bränts och nästan 3 000 gripanden gjorts, som den franska polisen förklarade att nivån på bilbränderna hade återgått till ”normal”. Undantagstillståndet hävdes inte förrän i februari 2006.
Stadens betydande svarta befolkning består av invandrare från de franska utomeuropeiska departementen Martinique och Guadeloupe samt från väst- och centralafrikanska länder som Senegal, Mali och Demokratiska republiken Kongo. Många av dessa invandrare bor i de nordöstra delarna av Paris, liksom människor med kinesiskt och turkiskt ursprung. Invandrargrupper från Sydostasien är koncentrerade i sydöstra Paris.
De flesta av befolkningen är nominellt romersk-katolska, även om endast en liten andel deltar regelbundet i mässan. Muslimer är en viktig närvaro i staden, vilket framgår av dess dussintals moskéer, inklusive Grande Mosquée de Paris (1922-26) i det femte arrondissementet. Den judiska församlingen är centrerad till kvarteret rue des Rosiers i stadsdelen Marais, där det finns många synagogor, kosherbutiker och hebreiska bokhandlar.