По данным 1999, в городе проживают 1 млн. 345 тыс. человек. Численность населения постоянно растёт. Основными этническими группами являются грузины — 72 %, армяне — 7 %, азербайджанцы - 7%, русские — 5 %, осетины — 3 %, курды — 2 % и греки — 2 %. Официальный язык грузинский, помимо него распространены русский, армянский и азербайджанский. Около 85 % верующих столицы принадлежат к Грузинской Православной Церкви, ветви православного христианства. В городе имеется также незначительное число католиков и мусульман.
Историческая динамика роста и этноконфесиональности населения была разнообразной. С 5-го по 7-й век население Тбилиси быстро росло за счет переноса столицы из г. Мцхета. В период арабского владычества в Тбилиси (7-11 вв., Тбилисский эмират) большинство населения было мусульманского вероисповедания и представляла собой смесь грузинского и пришлого арабского и неарабского населения. После отвоевания города у арабов мусульманское и пришлое население частично ушло вместе с арабами, частично было ассимилировано. Начиная с 1216 года, когда 200 тыс. горожан были убиты за отказ от перехода в ислам, и до конца 18 века, население Тбилиси время от времени подвергалось репрессиям и истреблению со стороны мусульманских завоевателей. С конца 18-го века, после массового истребления в 1795 году грузинского населения Тбилиси персидским правителем Ага-Мухаммед-ханом, до 20-х годов 20-го века больше половины населения города составляли армяне и мусульмане, в основном азербайджанцы. С середины 20-х годов 20-го века грузины вновь составляют большинство населения.