Die Einwohnerzahl von Melbourne hat sich seit Ende der 1950er Jahre auf 3,4 Millionen im Jahre 2005 verdoppelt. Die Bevölkerungsdichte beträgt 1.985 Einwohner je Quadratkilometer. In Berlin sind es zum Vergleich 3.800. In den ländlichen Regionen außerhalb der Stadt leben etwa 250.000 Menschen. Dort liegt die Bevölkerungsdichte nur bei 35 Einwohnern je Quadratkilometer. In Mecklenburg-Vorpommern sind es zum Vergleich 74. In der gesamten Metropolregion (Melbourne Statistical Division) leben 3,6 Millionen Menschen. Die Bevölkerungsdichte beträgt 412 Einwohner je Quadratkilometer.
Die folgende Übersicht zeigt die Einwohnerzahlen der eigentlichen Stadt ohne Vorortgürtel (Urbanized Area). Bis 1871 handelt es sich um Schätzungen, von 1881 bis 2001 um Volkszählungsergebnisse und 2005 um eine Berechnung.