O ritmo de crescimento populacional na primeira década foi de 14,4% ao ano, com um aumento populacional de 285%. Na década de 1970 o crescimento médio anual foi de 8,1%, com um incremento total de 115,52%. A população total de Brasília, que não deveria ultrapassar 500 mil habitantes em 2000, atingiu esta cota no início da década de 1970, e entre 1980 e 1991 a população expandiu em mais 36,06%. O Plano Piloto, que na inauguração concentrava 48% da população do Distrito Federal, gradativamente perdeu importância relativa, chegando a 13,26% em 1991, passando o predomínio para as cidades-satélite. Em 2000 o IBGE indicou 2.051.146 habitantes. O Índice de Desenvolvimento Humano na cidade está a 0,874 e a taxa de analfabetismo é de cerca de 4,35%. Brasília também caracteriza-se pela sua desigualdade social, sendo a 16ª grande cidade mais desigual do mundo e a 4ª mais desigual do Brasil, segundo um relatório divulgado pela Organização das Nações Unidas.

A população de Brasília é formada por migrantes de todas as regiões brasileiras, sobretudo do Sudeste e do Nordeste, além de estrangeiros que trabalham nas 123 embaixadas espalhadas pela capital. Dados de 2003 apontavam que mais da metade da população de Brasília não nasceu lá, sendo 1 milhão de brasilienses e 1,2 milhão de outros locais.

Originalmente, Brasília seria o que hoje se denomina Região Administrativa de Brasília – RA I, composta em sua parte urbana pelo chamado Plano Piloto. Com cerca de 277.000 habitantes (só o Plano piloto, composto pelos bairros Asa Sul e Asa Norte), e uma área de 472,12 quilômetros quadrados, é a 2ª maior RA do Distrito Federal em termos de população, atrás de Ceilândia (com 332.455 habitantes), mas Taguatinga, também é populosa, com 223.452 habitantes.