Mengikut sejarah, khususnya sejak zaman pra-Sepanyol, lembah Anáhuac menjadi salah sebuah kawasan yang paling padat dengan penduduk di Mexico. Menurut banci 1921, sewaktu Bandar Raya Mexico hanya diduduki kurang sejuta orang, 54.78% penduduk kota dianggap sebagai kaum Mestizo (campuran Pribumi dan Eropah), 22.79% dianggap kaum Eropah, dan 18.74% lagi dianggap Pribumi.[58]

Sehingga 1980-an, Wilayah Persekutuan merupakan entiti persekutuan yang teramai penduduknya di Mexico, tetapi semenjak itu, jumlah penduduknya kekal sekitar 8.7 juta. Pertumbuhan bandaraya ini menjangkaui sempadan Wilayah Persekutuan hingga 59 kawasan perbandaran di negeri Mexico dan satu lagi di negeri Hidalgo.[59] Dengan jumlah penduduk sekitar 19.8 juta orang (2008),[60] ia merupakan bandar gabungan yang paling ramai penduduknya di dunia. Sungguhpun begitu, kadar pertumbuhan tahunan Kawasan Metropolitan Bandar Raya Mexico agak rendah berbanding pengelompokan bandar lain yang seumpamanya di negara Mexico,[61] satu fenomena yang mungkin sekali disebabkan dasar pemencaran demi alam sekitar. Kadar penghijrahan bersih Wilayah Persekutuan pada tahun 1995 hingga 2000 adalah negatif.[62]

Kaum pribumi yang membentuk 18.74% kependudukan kota, berhijrah dari serata negara Mexico ke ibu kota untuk mencari nafkah. Bahasa-bahasa Náhuatl, Otomí, Mixteco, Zapoteco, dan Mazahua merupakan bahasa pribumi yang paling ramai penuturnya di Bandar Raya Mexico.[63]

Selain itu, Bandar Raya Mexico menjadi tempat tinggal komuniti ekspatriat dan penghijrah yang besar, terutamanya dari Amerika Selatan (khususnya Argentina, bahkan juga dari Chile, Uruguay, Colombia, Brazil dan Venezuela), tetapi juga dari Eropah (khususnya Sepanyol dan Jerman, ada juga dari Perancis, Itali, Poland dan Romania),[64][65] Timur Tengah (khususnya Lubnan dan Syria),[66] dan Asia (terutamanya China dan Korea Selatan).[67] Walaupun tidak terdapat perangkaan rasminya, namun setiap komuniti ini boleh dikatakan ramai orangnya. Bandar Raya Mexico ialah tempat yang paling ramai Warganegara Amerika Syarikat yang tinggal di luar AS. Pada tahun 1999, Biro Hal Ehwal Konsulat AS menganggarkan seramai 440,000 orang warga AS tinggal di Kawasan Metropolitan Bandar Raya Mexico.[68][69]

Majoriti (90.5%) penduduk Bandar Raya Mexico beragama Katolik Rom, lebih tinggi daripada peratusan seluruh negara, namun jumlahnya makin menurun sedikit akhir-akhir.[70] Selain itu, warga-warga kota Mexico ini juga menganut agama-agama Protestan, Yahudi, Buddha dan Islam, dan bermacam-macam lagi amalan falsafah, termasuk ateisme.