Токіо є лідером за чисельністю населення серед усіх японських префектур. За національним переписом 2010 року кількість його мешканців становила 13 161 751 особу. Це дорівнює близько 10 % від загального населення країни. Під час першого національного перепису 1920 року в метрополії проживало менше 3,7 мільйона осіб, а 1962 року населення Токіо сягнуло 10 мільйонів. Різке демографічне зростання спричинило надмірну концентрацію населення, погіршення екологічних умов проживання, інфляцію цін на житло тощо. У зв'язку з цим, у 1980 і 1995 роках спостерігався короткочасний демографічний спад. Між 2000 і 2010 роками населення метрополії зросло на 9 %. Основною причиною зростання залишається постійний наплив переселенців з інших префектур.
Густота населення в Токіо найвища в Японії. За результатами перепису 2005 року вона становила 5750,7 осіб/км². Найбільш заселеним є історико-адміністративний центр Токіо — райони Тійода, Тюо й Мінато. Через відсутність вільної землі влада метрополії активно розбудовує штучні острови в Токійській затоці.
З 1960 року працездатне населення Токіо віком від 15 до 64 років становить близько 70 % від усього населення метрополії. Воно зайняте переважно в торгівлі, сфері послуг і промисловості. Найчисельнішою групою є 20-річна молодь.
З середини 1990-х років населення Токіо швидко і невпинно старіє. Це пов'язано із поступовим спадом народжуваності у 1960-х роках, спричиненим зміною традиційно японських сімейних цінностей. Станом на 2005 рік токійці старше 64 років становили близько 20 % населення. 2215 осіб були старше 100 років. Статеве співвідношення також змінилося наприкінці 1990-х. Якщо протягом 20 століття у столиці переважали чоловіки, то з 1998 року вони поступилися чисельністю жінкам.
Токіо вважається великим міжнародним центром. Однак кількість іноземців, що працюють і проживають у метрополії, невисока. Станом на 2005 рік вони становили лише близько 3 % усіх мешканців