Năm 1954, thành phố có 53.000 dân, diện tích 152km2. Năm 1961, thành phố được mở rộng, diện tích lên tới 584km2, dân số 91.000 người. Năm 1978, Quốc hội quyết định mở rộng Thủ đô lần thứ hai với diện tích đất tự nhiên 2.136km2, dân số 2,5 triệu người. Năm 1991, địa giới Hà Nội tiếp tục thay đổi, chỉ còn 924km2, 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 hoá, dân số Hà Nội tăng đều đặn, đạt con số 2.672.122 người vào năm 1999.

Mật độ dân số Hà Nội hiện nay cũng như trước khi mở rộng địa giới hành chính, không đồng đều giữa các quận nội và ngoại thành. Trên toàn thành phố, mật độ dân cư trung bình 1.979 người/km2 nhưng tại quận Đống Đa ( trước đây là quận Hoàn Kiếm), mật độ lên tới 35.341 người/km2. Trong khi đó, ở những huyện ngoại thành như Sóc Sơn, Ba Vì, Mỹ Đức, mật độ không tới 1.000 người/km2.
Về cơ cấu dân số, theo số liệu năm 1999, cư dân Hà Nội và Hà Tây khi đó chủ yếu là người Kinh, chiếm tỷ lệ 99,1%. Các dân tộc khác như Dao, Mường, Tày chiếm 0,9%. Theo số liệu  điều tra dân số ngày 1/4/2009, toàn thành phố Hà Nội có 2.632.087 cư dân thành thị chiếm 41,2% và 3.816.750 cư dân nông thôn chiếm 58,1%.