前西班牙时期以来，阿纳瓦克谷一直是墨西哥人口稠密的地区。当联邦地区在1824年创建后，墨西哥城市区一直延伸约在今天的瓜特穆斯自治市区域。在20世纪初，原住民开始迁移到南部和西部，Mixcoac和圣·安赫尔很快成为了日益增长的大都市。根据1921年人口普查，全市人口的54.78%，是印欧混血种人（土著人与欧洲人混合），22.79%是欧洲人，18.74%是土著人。当时，墨西哥城不足100万居民。

1990年代，联邦区依然是墨西哥人口最稠密的联邦单位，但自那时起，这里的人口一直稳定保持在约870万。城市的发展已超出联邦特区的极限，由墨西哥州59个市镇以及伊达尔戈州的一个市镇组成。人口约1980万居民（2008年），它是在世界上人口最多的大都市之一。尽管如此，墨西哥城大都市区每年的增长速度比墨西哥其它大型城市人口密集的地带低得多，这种现象可能由于这里非集中化的环境政策。联邦区1995年到2000年的净迁移率是负数。

其中具有代表的是来自墨西哥不同地区的土著居民移民，约该市占18.74%的人口，他们为找更好的就业机会来到首都。纳瓦特尔语、乙巳语、米斯特克语、萨波特克语和吗咋哈利语是墨西哥城使用最多的几种土著语言。

另一方面，墨西哥城是侨民和移民的大型社区的发源地，移民大多来自北美（美国和加拿大）和南美洲（主要来自阿根廷和哥伦比亚，但也有巴西、智利、乌拉圭和委内瑞拉的移民）、中美洲和加勒比地区（主要来自古巴、危地马拉、萨尔瓦多、海地和洪都拉斯）；欧洲（主要来自西班牙，德国和瑞士，也有捷克共和国、法国、意大利、爱尔兰、荷兰、波兰和罗马尼亚），中东（主要来自埃及、黎巴嫩和叙利亚）；最近亚太地区（主要来自中国大陆和台湾、日本、韩国）的移民也在增加。历史上自新西班牙时代以来，许多菲律宾人在城市定居，并已融入了墨西哥社会。虽然没有官方数据，但在每个社区的人口估计数据是相当显着。墨西哥城是美国以外最大的美国人聚居地。目前估计约有60万美国人生活在墨西哥城，而美国领事事务局在1999年估计，超过44万的美国人居住在墨西哥城大都市区。

大多数（82%）墨西哥城居民信奉罗马天主教，该比例在过去几十年已有所下降，但仍高于全国比例。不过许多其它的宗教哲学也在该市盛行：许多不同类型的新教团体和犹太人社区、佛教伊斯兰教和其它精神哲学团体，以及越来越多的无神论者。