Theo số liệu cuộc Tổng điều tra Nhân khẩu toàn quốc lần thứ 6, Thái Nguyên có 4,2 triệu nhân khẩu thường trú, trong đó nam là 2,152 triệu người, nữ là 2,05 triệu người. Về độ tuổi, có 567 nghìn người trong độ tuổi 0-14, chiếm 13,49%; 3,3 triệu người trong độ tuổi từ 15-64, chiếm 78,58%; 333 nghìn người trên 65 tuổi, chiếm 7,93%. Theo cuộc điều tra này, Thái Nguyên có 988.552 nhân khẩu có trình độ đại học. Theo một điều tra khác, Thái Nguyên vào năm 2010 có 3,02 triệu nhân khẩu phi nông nghiệp, đứng thứ 22 tại Trung Quốc, và đứng thứ 2 tại khu vực trung bộ Trung Quốc. Tại Thái Nguyên, phương ngữ cơ bản của cư dân thành thị là "Thái Nguyên thoại" thuộc "Tịnh châu phiến" của tiếng Tấn, hình thành từ thế kỷ 20 đến nay trên cơ sở thổ ngữ địa phương cộng thêm ảnh hưởng từ phương ngữ của di dân ngoại lai và tiếng Phổ thông.