Phương pháp nghiên cứu nhân khẩu học của xu hướng tính dục có nhiều thử thách vì xu hướng tính dục có nhiều khía cạnh khác nhau và ranh giới khác nhau. Việc xác định tỉ lệ các xu hướng tính dục khác nhau trên thực tế là khó khăn và gây nhiều tranh cãi.Trong Thể hiện tình dục ở nam giới (1948) và Thể hiện tình dục ở phụ nữ (1953), của Alfred Kinsey, người ta được yêu cầu tự đánh giá mình theo thang Kinsey. Khi phân tích sự thể hiện giới tính và ý thức giới tính của từng cá nhân, ông rút ra rằng thiên hướng song tính luyến ái, ham thích tình dục với cả người cùng và khác phái, chiếm đa số. Theo ông, dị tính và đồng tính luyến ái chiếm một tỉ lệ nhỏ (5-10%). Tuy nhiên, hoàn toàn song tính luyến ái (ham thích tình dục với người cùng phái và khác phái là bằng nhau) một tỉ lệ nhỏ hơn nữa.

Phương pháp của Kinsey bị chỉ trích là có lỗ hổng, đặc biệt là về độ ngẫu nhiên của nhóm người được kiểm tra. Phần lớn họ là tù nhân. Tuy nhiên, Paul Gebhard, giám đốc kế nhiệm của Viện Nghiên cứu Tình dục Kinsey đã xem xét lại dữ liệu và kết luận rằng điều đó không ảnh hưởng nhiều đến kết quả. Hầu hết các thống kê khoa học hiện nay cho thấy phần lớn con người là dị tính luyến ái. Tuy nhiên, tỉ lệ đồng tính luyến ái thay đổi tùy theo phương pháp thống kê và tiêu chuẩn chọn lựa. Đa số kết quả cho thấy ở Mỹ tỉ lệ đồng tính nam là từ 2.8 đến 9% và đồng tính nữ là 1 đến 5%.[10] Tỉ lệ này có thể lên đến 12% đối với các thành phố lớn và chỉ 1% đối với vùng nông thôn. Những làng đồng tính như The Castro ở San Francisco, California, tỉ lệ này lên đến 40%.

Tỉ lệ song tính luyến ái được xác định thay đổi tùy cách định nghĩa ít nhất là khi thống kê trong cùng một vùng. Vài nghiên cứu coi một người là song tính luyến ái chỉ khi người đó ham thích tình dục với cả người cùng và khác phái một cách bằng nhau. Các nghiên cứu khác coi một người là song tính khi người đó không phải là hoàn toàn đồng tính hoặc không phải là hoàn toàn dị tính. Một tỉ lệ nhỏ là những người không ham thích tình dục với bất kỳ ai (vô tính).