In den ersten 300 Jahren seit der Gründung der Stadt im 16. Jahrhundert kamen überwiegend portugiesische Einwanderer und Sklaven vom afrikanischen Kontinent nach São Paulo. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts waren es auf Grund des beginnenden Kaffeanbaus und der Befreiung der Sklaven 1888 durch eine gezielte Einwanderungspolitik bis Anfang des 20. Jahrhunderts vor allem Italiener und Portugiesen, aber auch Deutsche, Libanesen und Japaner, die sich in der Stadt, teilweise in eigenen Vierteln, niederließen. Deren Nachkommen leben noch heute in eigenen Stadtteilen, in „Liberdade“ die Japaner, in „Bela Vista“ die Italiener, in „Bom Retiro“ die Libanesen und im Viertel „Brooklin Paulista“ die Deutschen. Bedeutende Ethnien in der Stadt sind des Weiteren die Chinesen, Juden, Koreaner, Armenier, Bolivianer, Litauer, Spanier und Syrer.
Zu zwei weiteren Einwanderungswellen von Menschen aus Europa, Japan und dem Nahen Osten kam es wegen der politischen und wirtschaftlichen Wirren nach den beiden Weltkriegen. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts war São Paulo überwiegend das Ziel von Zuwanderern aus dem Nordosten Brasiliens, später auch aus dem Südosten. Wunschziel der Migranten war es bei der schnell expandierenden Industrieentwicklung oder in der blühenden Baubranche eine Beschäftigung zu finden. Seit den 1980er Jahren trägt das natürliche Wachstum erheblich mehr zum Bevölkerungszuwachs bei als die Zuwanderung. Diese Veränderung ist trotz abnehmender Geburtenraten durch den hohen Anteil jüngerer Stadtbevölkerung bedingt, den die jetzt zurückgehende Einwanderung mit sich gebracht hatte. Seit den 1990er Jahren ist die jährliche Zuwachsrate der Bevölkerung der Agglomeration São Paulo, die seit 1973 als Grande São Paulo institutionell verankert ist, sprunghaft zurückgegangen.
Die Metropolregion Grande São Paulo umfasst heute außer der Stadt São Paulo als Kernzone 38 weitere Städte mit einer Gesamtfläche von 8051 Quadratkilometern. Das überbaute Stadtgebiet der Region mit 1747 Quadratkilometern hat seit den 1980er Jahren um 372 Quadratkilometer zugenommen. Grande São Paulo beherbergt im Jahre 2006 mit 19,8 Millionen Menschen, von denen elf Millionen (56 Prozent) in der Stadt São Paulo leben, eine größere Bevölkerung als das Bundesland Nordrhein-Westfalen mit 18 Millionen. Da das Ballungsgebiet Grande São Paulo bald mit weiteren sechs Städten über 100.000 Einwohnern zusammenwächst – darunter die Millionenstadt Campinas – die alle in einem Umkreis von weniger als 150 Kilometern um Grande São Paulo liegen, wird heute schon von einer erweiterten Metropolregion (Complexo Metropolitano Expandido, CME) gesprochen, der die Funktion einer Makro-Metropole zukommt.
Die Metropolregion Grande São Paulo ist flächenmäßig um circa 60 Prozent größer als die Stadtregion Rhein-Ruhr, übertrifft deren Bevölkerungszahl aber um das Vierfache. Während die durchschnittliche Bevölkerungsdichte im Ruhrgebiet bei 1080 Einwohnern je Quadratkilometer liegt, beträgt sie in der Agglomeration von São Paulo 2371 Einwohner je Quadratkilometer. Sie erreicht in der Stadt São Paulo mit 6580 und in der Stadt Diadema bei 390.641 Einwohnern mit 12.724 Einwohnern je Quadratkilometer einen Höchstwert.
Die folgende Übersicht zeigt die Einwohnerzahlen nach dem jeweiligen Gebietsstand. Bis 1929 handelt es sich meist um Schätzungen, von 1940 bis 2000 um Volkszählungsergebnisse und 2006 um eine Schätzung des Brasilianischen Bundesamtes für Statistik und Geographie (IBGE).