Theo kết quả điều tra dân số năm 2019, Thanh Hóa có 3.640.128 người, đứng thứ ba Việt Nam, chỉ sau Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội.[19]

Tính đến ngày 01/4/2019, Thanh Hóa có 3.640.128 người, trong đó tỷ lệ nữ chiếm 1.824127 người (50,11%). Về mật độ dân số của tỉnh là 328 người/km2, tăng 22,6 người/km2 và xếp thứ 28/63 tỉnh, thành trong cả nước. Tỷ số giới tính (số nam trên 100 nữ) tăng từ 95,6% (năm 1999) lên 98,0% (năm 2009), tương đương với mức chung của cả nước.[19]

Thanh Hóa là tỉnh có nhiều dân tộc sinh sống, nhưng chủ yếu có 7 dân tộc là Kinh, Mường, Thái, Thổ, Dao, Mông, Khơ Mú. Người Kinh chiếm 81,7% dân số toàn tỉnh và có địa bàn phân bố rộng khắp, các dân tộc khác có dân số và địa bạn sống thu hẹp hơn.

Tính đến ngày 1 tháng 4 năm 2019, toàn tỉnh có 9 tôn giáo khác nhau đạt 162.466 người, nhiều nhất là Công giáo có 149.990 người, tiếp theo là đạo Tin Lành có 7.890 người, Phật giáo có 4.447 người. Còn lại các tôn giáo khác như Hồi giáo có 95 người, đạo Cao Đài có 23 người, Minh Sư đạo có 14 người, Phật giáo Hòa Hảo có bốn người, Tứ Ân Hiếu Nghĩa có hai người và 1 người theo Minh Lý đạo.[20]