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통합 전 동광양시는 전체적으로 인구 유입이 유출보다 많은 지역으로 인구가 계속 증가해왔다. 광양출장소였던 1986년 당시 3만 7,308명이었으나 1987년 5만 3,342명, 1988년 6만 1,235명, 1991년에는 7만 118명으로 증가하여, 6년 동안 무려 2배 가까이 인구가 증가했다.

성별 구성을 보면 남자가 전체 인구의 60.3%를 차지하여 이 지역이 철강을 비롯한 중공업중심의 구조를 가지고 있음을 보여준다. 또한 통합 전 광양군의 인구변화를 보면 1960년에는 8만 7,016명, 1970년에는 9만 4,451명으로 10년간에 7,435명이 증가하여 8.5%의 증가율을 기록했다.

1980년에는 7만 8,696명으로 인구가 대폭 감소했고, 1987년 광양출장소 지역이 동광양시로 분리되었으나 군지역의 인구는 오히려 1988년 7만 8,000명을 정점으로 계속 증가하여 1990년에는 8만 5,440명에 이르렀다. 1995년 동광양시와 광양군의 통합으로 인구가 12만 7,735명이 되었으며 이후로도 공업도시로서 인구가 계속 증가했다. 이러한 인구증가는 광양제철소가 시내·외의 인구를 유인하는 요인으로 작용했기 때문이다.

2000년대 이후 인구는 2010년 14만 5,512명, 2015년 15만 3,587명으로 증가했다. 2024년 기준 인구는 15만 2,853명이며 가구수는 7만 345가구, 가구당 인구는 2.17명이다. 행정구역별 인구분포를 살펴보면 중마동과 광영동을 중심으로 많은 아파트가 건설되면서 인구 비율이 높아졌다. 군 전체 인구의 35%가 중마동(5만 7,674명)에 거주하고 있으며, 다음으로는 광양읍(4만 8,013명)에 많은 인구가 거주한다. 가장 인구가 적게 거주하는 지역은 태인동으로 1,568명이 살고있다(2024).