Dân số huyện Phú Lương tính đến năm 2017 là 94.415 người. Xếp thứ 6 trong toàn tỉnh, chỉ đông hơn huyện Đồng Hỷ, Định Hoá và huyện Võ Nhai.

Năm 2017, do điều chỉnh địa giới hành chính, 1 đơn vị hành chính: xã Sơn Cẩm bị chuyển về thành phố Thái Nguyên quản lí nên dân số bị giảm đáng kể.[3]

Đặc điểm dân cư huyện Phú Lương đa dạng là do sự di cư đến đây sinh sống lao động và làm việc. Về thành phần tôn giáo, bao gồm Phật giáo, Tin Lành,...