Массовое заселение территории Воронежской области началось со 2-й половине XVI века. В заселении и хозяйственном освоении Воронежского края решающий вклад внесли переселенцы из центральной России, а также черкасы (малороссы), заселившие преимущественно южные районы.
К середине XIX века Воронежская губерния становится основной житницей страны, её население отличалось высокими темпами роста и территориальными различиями в плотности. В 1811 году численность населения Воронежской губернии (которая была приблизительно на 10% больше по территории современной Воронежской области) составила около 1 100 000 человек, в 1859 году свыше 1 800 000 человек. Плотность населения в 1811 году достигала около 19 человек/км2, в 1859 году 37,3 человек/км2. Во 2-й половине XIX - начале XX века продолжался быстрый рост численности населения, что привело к относительному аграрному перенаселению Воронежской губернии.
По данным Всероссийской переписи 1897 года, численность населения в Воронежской губернии составила 2 531 300 человек, на 01.01.1914 года 3 630 900 человек. Средняя плотность населения выросла до 49,4 человек/км2 в 1897 году и до 70,8 человек/км2 в 1914 году. При этом слабое промышленное развитие сдерживало процесс урбанизации. В 1914 году удельный вес городского населения в Воронежской губернии составил 5,7%, (в 2,7 раза ниже, чем в среднем по Европейской России). При этом в городе Воронеже проживало 45,2% всех горожан Воронежской губернии. Во 2-й половине XIX - начале XX века отмечался высокий естественный прирост населения, показатели рождаемости заметно превосходили показатели смертности (52,3 против 36,6 на 1000 жителей в год). За период 1861-1913 годов средний показатель естественного прироста населения составил 15,7%, а за 1911-1913 годов 20,1%, что превышало средний уровень по Европейской России.
Нарастание избыточности сельского населения привело к массовому развитию отхожих промыслов и миграционному оттоку в новые районы торгового зернового хозяйства на Северном Кавказе и в Сибири. За 1885-1914 годы число семейных переселенцев из Воронежской губернии в Сибирь составило 237 500 человек. По данным переписи 1897 года, число переселенцев в Кубанскую область после 1861 года достигло 118 700 человек. События 1-й мировой войны и Гражданской войны привели к существенному снижению численности населения Воронежской губернии. По данным переписи 1926 года, в Воронежской губернии проживало 3 130 000 жителей (вместе с Усманским уездом, переданным из Тамбовской губернии), а средняя плотность снизилась на 30% и составила 49,6 человек/км2.
Индустриальное развитие города Воронежа (в том числе под влиянием эвакуации предприятий из Прибалтики) обусловило рост урбанизации. Удельный вес городского населения составил в 1926 году 10,4%. В 1920-1930-е годы развернулись коллективизация сельского хозяйства, индустриализация, культурная революция, которые отразились на демографических процессах в Воронежском крае. Социальные потрясения, низкий уровень жизни, сложные бытовые условия, массовое вовлечение женщин в общественное производство привели к снижению рождаемости и уровня естественного прироста населения в Воронежской области до 10,5% в 1940 году.
Социальные преобразования и спрос на трудовые ресурсы в промышленных районах страны вызвали массовый отток сельских жителей. За 1926-1939 годы сельское население Воронежской области сократилось на 172 500 человек, или на 7,4%. В 1939 году численность населения Воронежской области была равна 2 709 200 человек (на 4,2% больше, чем в 1926 году). Средняя плотность составила 51,7 человек/км2. В 1939-1959 годах демографическое развитие Воронежской области определялось огромными людскими и материальными потерями во время Великой Отечественной войны (ВОВ). Общая численность населения сократилась на 340 500 человек (на 12,6%) и составила 1 959 237 человек. Поскольку численность городского населения выросла в 1,5 раза, то основные демографические потери пришлись на долю сельских жителей, численность которых сократилась на 608 200 человек, или на 28,4%. В 1959 году в городских поселениях Воронежской области проживало 34,6% всего населения, причём в городе Воронеже 54,6% всех горожан. За 1940-1960 годы произошло дальнейшее сокращение рождаемости, которая в 1960 году составила 20,6%.
Вследствие быстрого индустриального развития нарастал массовый миграционный отток сельских жителей, который стал существенно превышать темпы естественного прироста. 1960-е годы оказались переломными в демографическом развитии Воронежской области. Массовый переход к малодетной семье вызвал широкое регулирование рождаемости, которая за период 1960-1970 годов сократилась на 39,8% и составила в 1970 году лишь 12,4%. В связи с сокращением численности детей и подростков стал возрастать удельный вес пожилых. В результате увеличились на 20,8% показатели общей смертности населения, которая в 1970 году составила 9,3%. В итоге Воронежская область перешла от расширенного к простому воспроизводству населения. Продолжал нарастать процесс урбанизации. В 1970 в годы проживало уже 45,5% всего населения Воронежской области, при этом в городе Воронеже проживало уже 57,3% всех городских жителей. Шёл отток сельских жителей за пределы Воронежской области. В 1970 году общая численность населения Воронежской области составила 2 527 000 человек. При этом по сравнению с 1959 годом на 40,2% выросла численность горожан, а численность сельских жителей сократилась на 173 000 человек, или на 11,2%, средняя плотность составила 48,2 человек/км2.
В 1970-1980-е годы произошла стабилизация естественного воспроизводства населения Воронежской области. Это прежде всего относится к рождаемости, изменения которой стали определяться различиями возрастных контингентов, входящих в репродуктивный возраст. Так, в 1981 году рождаемость в Воронежской области составила 13,2%, что даже превысило уровень 1970 года. В то же время прослеживается тенденция к повышению смертности, связанная со старением населения. Естественный прирост составил всего 0,4% в 1981 году. В последние годы существования СССР в Воронежской области прекратился прирост населения. Важным фактором воспроизводства населения оставалась миграция. В 1970-е годы отток населения в 2,2 раза превышал его естественный прирост. В 1970-1980-е годы нарастал процесс депопуляции сельского населения; в 1981 году рождаемость составила 10,9%, смертность 15,9% и естественная убыль 5%. За 1970-1989 годы численность сельского населения сократилась на 412 000 человек, или на 30%. В то же время городское население Воронежской области выросло на 30,9%, а его удельный вес составил 61%. В Воронежской области в 1989 году проживало 2 470 000 человек, что на 2,3% меньше, чем в 1970 году. Средняя плотность составила 47,1 человек/км2.
Экономические, социальные и политические изменения 1990-х годов негативным образом отразились на демографическом развитии Воронежской области. Системный кризис экономики, падение уровня жизни преобладающей части населения привели к падению рождаемости и повышению смертности. Со 2-й половины 1990-х годов резко сократившаяся миграция не смогла компенсировать возраставшую естественную убыль населения. За 1995-2007 годы численность населения Воронежской области уменьшилась на 211 300 человек, или на 8,4%. При этом депопуляция охватила как сельское, так и городское население. За 1995-2004 годы численность горожан сократилась на 68 800 человек, или на 4,5%; численность сельских жителей на 81 000 человек, или на 8,4%. Происходило повышение уровня урбанизации: удельный вес городского населения составлял на 2007 год около 62%. В 1991 году на территории Воронежской области проживало 2 474 400 человек, в 1995 году 2 503 800 человек, в 2004 году 2 458 800 человек, в 2007 году 2 292 500 человек. Общая плотность составила 43,7 человек/км2. Если в 1995-1996 ежегодные темпы снижения численности населения не превышали 5000, то в 1999-2000 годах они составили 16000-18000, а с 2001 года свыше 20 000 человек. Низкая рождаемость (8,4% в 2005 году) определяется массовым распространением малодетности, откладыванием во времени рождения 1-го ребенка, сближением уровня рождаемости городских и сельских жителей, процессами распада и трансформации семьи, ростом внебрачной рождаемости. Уровень смертности среди мужчин трудоспособного возраста почти в 5 раз превышает уровень смертности среди женщин.
В 2005 году миграционный прирост населения уменьшился более чем в 10 раз по сравнению с 1995 годом и составил всего 3200 человек. Воронежская область в обмене мигрантами в пределах России теряет население. Миграционный прирост существовал лишь за счёт притока из Украины и новых государств Центральной Азии. На январь 2006 года в Воронежской области состояло на учёте 2500 вынужденных мигрантов, а общее число всех мигрантов составляло около 118 000 человек (около 5% всего населения). В Воронежской области преобладает русское население. В южных районах в разговорной речи сохранилось много украинизмов. На рубеже XX-XXI веков в связи со значительными миграционными притоком из стран Содружества Независимых Государств (СНГ) этническая структура населения Воронежской области становится более сложной, особенно в промышленных и транспортных центрах. Наиболее сложная демографическая ситуация сложилась в сельской местности, где смертность в 3-4 раза превышает рождаемость и продолжается миграционный отток молодёжи. В 1989-2002 годы исчезло свыше 40 сельских населённых пунктов, а в 125 (на 2002 год) люди не проживали. В почти 1/4 сельских населённых пунктах число жителей не превышает 50 человек и отсутствует социальная и экономическая инфраструктура. В 2022 году численность населения Воронежской области составила 2 287 700 человек, что всего на 4800 человек меньше, чем в 2007 году, то есть темпы сокращения числа жителей снизились до 320 человек в среднем в год. В городской местности проживали 1 558 100 человек (68,1%), в сельской 729 600 человек (31.9 %). Плотность населения составляла 43,6 человек/км2.
По сравнению с 2015 годом численность лиц старше трудоспособного возраста снизилась на 4,9% и составила 623 200 человек. В городской местности доля лиц пенсионного возраста составила 25,9%, в сельской местности 30,2%. Численность населения в возрасте 0-15 лет составила 368 100 человек. Доля детей и подростков в горской местности составила 16,5%, сельской местности 15,2%. На начало 2022 года в трудоспособном возрасте находились 1 296 400 человек, или 56,7% от общей численности населения Воронежской области, что на 19 000 человек, или на 1,5% выше показателей 2021 года. Увеличение лиц трудоспособного возраста вызвано тем, что с 01.01.2022 года в связи с пенсионной реформой изменились границы трудоспособного возраста - это мужчины в возрасте 16-61 года, женщины 16-56 лет. В половозрастном составе населения Воронежской области сохранилась существенная диспропорция. Большинство жителей Воронежской области - женщины, численность которых в 2022 году составила 1 236 900 человек, что на 186 100 (17,7%) больше численности мужчин. Доля женщин в городском населении несколько выше, чем в сельской (54,8% против 52,6%). Сохраняется тенденция превышения женского населения над мужским в старших возрастных группах - соотношение составляет 70,4% и 29,6% соответственно. В то время как в возрасте до 37 лет преобладает мужское население - его доля около 52%. В целом по Воронежской области продолжительность жизни у мужчин к 2022 году составила 64,7 года, у женщин - 74,3 года, то есть в среднем мужчины живут на 10 лет меньше. Численность женщин репродуктивного возраста продолжает снижаться, что неблагоприятно влияет на рождаемость. К 2022 году численность женщин репродуктивного возраста (15-49 лет) составляла 521 400 человек. Максимальное снижение наблюдалось в самом активном репродуктивном возрасте (20-29 лет) - 6188 человек.
На начало 2022 года общий коэффициент демографической нагрузки в Воронежской области (отношение численности лиц в возрасте моложе и старше трудоспособного возраста к численности населения трудоспособного возраста) составил 765 человек на 1000, из них 284 человек дети в возрасте 0-15 лет и 481 лица старше трудоспособного возраста. В 2022 году изменились границы возраста старше трудоспособного (мужчины - 62 года и старше, женщины - 57 лет и старше), что повлекло за собой снижение нагрузки на 40 человек (в том числе лицами старше трудоспособного возраста - на 36 человек). Коэффициент демографической нагрузки в сельской местности выше, чем в городской (831 и 735 нетрудоспособных жителей на 1000 человек трудоспособного возраста).
Для оптимизации демографической ситуации в Воронежской области разработана и реализуется «Концепция демографической политики Воронежской области на период до 2025 года», национальный проект «Демография», региональные программы.
см.: Список населённых мест Российской империи: Воронежская губерния (Санкт-Петербург, 1865).
Фёдор Николаевич Мильков, Владимир Борисович Михно, Ю.В. Поросёнков. География Воронежской области (Воронеж, 1994).
Ю.А. Нестеров. География Воронежской области (Воронеж, 1998).
О возрастно-половом составе населения Воронежской области в 2021 году // Воронежский статистический ежегодник, Воронеж, 2022.