Thị xã nằm ở bờ tả ngạn sông Thao, trung tâm của tỉnh Phú Thọ. Thị xã Phú Thọ có diện tích tự nhiên là 64,6 km², dân số thường trú năm 2009 là 77.614 người, mật độ dân số là 1.201 người/km², trong đó khu vực nội thành có 39.899 người[8], mật độ 8.551 người/km².

Dân số năm 2013 là 91.650 người. Trong đó: Dân số thường trú 71.650 người, dân số tạm trú bao gồm dân nhập cư, học sinh, sinh viên và lao động tại các nhà máy, xí nghiệp 20.000 người.[2]

Theo số liệu thống kê năm 2014, tính trên toàn đô thị, số lao động trong độ tuổi lao động là 43.161 người, trong đó lao động làm việc trong ngành công nghiệp, xây dựng là 12.965 người, lao động trong ngành thương mại – dịch vụ là 14.426 người, lao động trong ngành nông ngư nghiệp là 12.833 người.

Tỷ lệ lao động phi nông nghiệp là 68,1%. Tỷ lệ lao động qua đào tạo chiếm gần 39%.

- Trong đó khu vực nội thị là: số lao động làm việc trong ngành công nghiệp, xây dựng là 8.485 người, lao động trong ngành thương mại – dịch vụ là 10.818 người, lao động trong ngành nông ngư nghiệp là 3.848 người.[9] 

Trên địa bàn thị xã có hai tôn giáo chính: Phật giáo và Thiên Chúa giáo. 13,6% dân số theo đạo Thiên Chúa và 6,7% dân số theo đạo Phật.

Theo thống kê ngày 1 tháng 4 năm 2019,[10] thị xã Phú Thọ có dân số là 70.653 người, trong đó:

• Dân số thành thị là 25.308 người chiếm 36%
• Dân số nông thôn là 45.345 người chiếm 64%
• Dân số nam là 34.553 người
• Dân số nữ là 36.100 người.