Theo số liệu cuối năm 2011, Thiểm Tây có 37,426 triệu nhân khẩu thường trú, tăng 74.000 so với năm trước, trong đó có 19,304 triệu nam giới (51,58%) và 18,122 triệu nữ giới (48,42%), tỷ lệ giới tính đạt 106,52, giảm so với 108,42 vào năm 2000. Số nhân khẩu thành thị của Thiểm Tây là 17,702 triệu người (47,3%), số nhân khẩu nông thôn là 19,724 triệu (52,7%). Số người trong độ tuổi 0-14 chiếm 15,28% tổng dân số, số người trong độ tuổi 15-64 chiếm 75,68% tổng dân số, số người trên 65% chiếm 9,04% tổng dân số của Thiểm Tây, tỉnh phải đối mặt với tình trạng lão hóa dân số nghiêm trọng.

Gần như tất cả những người ở Thiểm Tây là dân tộc Hán, với các nhóm biệt lập người Hồi ở vùng tây bắc (tiếp giáp với Ninh Hạ). Vùng Quan Trung, nơi có thủ phủ của tỉnh Tây An, có dân cư đông đúc hơn so với phần phía bắc. Cư dân khu vực Thiểm Bắc nói tiếng Tấn, cư dân vùng Quan Trung nói phương ngữ Quan Trung của Quan thoại Trung Nguyên, cư dân Thiểm Nam nói phương ngữ Hán Trung của Quan thoại Tây Nam.