Au cours du XIXe siècle, la population de Détroit croît rapidement. La ville n'est cependant pas l'une des plus grandes du pays ; elle reste beaucoup plus petite que les villes de New York et Chicago. Cependant lors de la première moitié du XXe siècle, la population s'accroit de manière soutenue, surtout du fait du développement de l'industrie automobile, grâce à l'immigration européenne et aussi à la migration des populations (blanches et noires) du Sud des États-Unis. En 1930, Détroit est ainsi devenue la quatrième ville du pays, derrière New York, Chicago et Philadelphie. En 1950, la population atteint son optimum, avec 1 849 568 habitants.
Au cours de la deuxième moitié du XXe siècle, la ville connait une évolution exactement inverse : entre 1950 et 2000, Détroit perd plus d'un million d'habitants, passant de 1 849 568 habitants en 1950 à 713 777 habitants en 2010. À cela s’ajoute l’impossibilité, pour des milliers de particuliers ayant emprunté, de rembourser leur dette en raison de la hausse des intérêts de leur prêt : selon la municipalité, 67 000 habitations auraient été saisies en trois ans. Malgré la politique de revitalisation de certains quartiers et la gentrification en cours, la tendance à la baisse continue à un rythme élevé : - 25 % entre 2000 et 2010.
La répartition ethnique de la ville de Détroit se caractérise par une importante population afro-américaine, et une population blanche qui tend à diminuer ; la vaste majorité de la population blanche de la région métropolitaine vit dans la banlieue. En 2000, la population de la ville elle-même représentait 23 % de la population métropolitaine mais concentrait 75 % des Afro-Américains de l'agglomération.
Aujourd'hui les Afro-Américains forment une communauté très importante (81,6 % du total), en augmentation. Ce groupe se trouve dans tous les secteurs de la ville. La part des Blancs est beaucoup plus faible (12,3 %) que la moyenne nationale ; elle se concentre dans quelques quartiers du nord-ouest (comme Palmer Woods) et de l'est (Indian Village). La proportion des Latinos est plus faible (5,0 %) que dans le reste du pays, mais leur effectif augmente. Cette population se concentre au sud-ouest de la ville, dans le quartier de Mexicantown. La population asio-américaine est minime (1,0 %).
En 2000, le taux de personnes vivant sous le seuil de pauvreté (26,1 %) était deux fois plus élevé que la moyenne nationale. Il est composé en majorité par 34,5 % de personnes âgées de moins de 18 ans, et de 18,6 % âgées de plus de 65 ans. Le revenu annuel moyen par habitant était de 14 717 dollars.