Năm 2010 dân số của toàn huyện Tam Đảo là 71.528 người, mật độ dân số trung bình là 303 người/km², trong đó dân tộc thiểu số chiếm trên 41,9%. So với các huyện, thành phố khác trong tỉnh Vĩnh Phúc, Tam Đảo là một trong các huyện có mật độ dân số thấp. Mật độ dân số không đều giữa các xã trong huyện, tập trung cao ở các xã vùng thấp và thưa thớt tại vùng thị trấn Tam Đảo, các thôn, xóm vùng ven núi của các xã vùng đồng bằng.

Tính đến ngày 1/4/2019 dân số của huyện là 83.931 người, mật độ dân số trung bình là 355 người/km².