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통합 이전 울산군은 1962년 울산시가 분리되면서 조금씩 줄던 인구가 온산공업단지가 조성되기 시작한 1975년을 고비로 점차 회복되어 점진적으로 증가했다. 연도별 인구추세를 보면 1970년 11만 6,021명, 1975년 11만 5,973명, 1980년 11만 6,933명, 1985년 11만 9,038명, 1991년 13만 6,481명으로 1970~91년의 20년 동안 17.6%의 인구증가율을 보였다. 이에 비해 가구수는 1970년 2만 1,552가구에서 1991년 3만 7,991가구로 76.3%가 늘었고 가구당 인구수는 5.4명에서 3.6명으로 감소했다.

한편 통합 이전 울산시는 1962년 시로 승격될 당시만 해도 인구 8만 5,082명에 불과한 소도시였으나 특정공업지역으로 지정되어 급속한 공업화와 도시화를 이루면서 인구가 급증했다. 1970년 15만 9,340명, 1975년 25만 2,629명, 1980년 41만 8,415명, 1985년 55만 1,320명, 1990년 68만 2,978명, 1991년 72만 7,042명, 통합시를 이룬 1995년에는 96만 9,196명을 기록했다. 이후 1997년 울산광역시의 출범 이후, 인구는 100만 명을 넘어서 101만 3,070명이 되었으며 증가 추세가 지속되어 2010년에는 111만 5,138명을 기록했다. 2024년 인구수는 110만 3,402명이다.

인구밀도는 1970년에 903명/㎢, 1980년에 2,324명/㎢, 1991년에 4,004명/㎢으로 전국 평균을 훨씬 웃도는 인구조밀지역이었으나, 1995년 울산군과의 통합으로 시 면적이 확장되어 인구밀도가 915명/㎢으로 감소했다. 2020년 기준 인구밀도는 1,080명/㎢이며, 인구분포를 행정동별로 볼 때 읍·면 지역인 울주군에 시 전체인구의 19.4%가 분포하고, 중구·남구·동구·북구에 80.6%가 분포한다.

남구 신정동·달동·삼산동·삼호동·무거동·옥동·야음장생포동·대현동·수암동·선암동 등은 상주인구율이 높은 반면, 동구 방어동·일산동·화정동·대송동·전하동·남목동 등은 중심 상업·업무 지구로 상주인구율이 낮고 주·야간의 인구이동이 많다. 남녀의 성비는 106：100으로 남자가 여자보다 많은데, 이것은 울산광역시의 주된 경제기반이 남성노동력을 많이 필요로 하는 자동차·조선·석유화학 공업 등이기 때문이다.

중심 도시구조는 그 형성시기와 특성에 따라 크게 구시가지·신시가지·공업지구 등 3지역으로 나뉜다. 구시가지는 상업과 서비스 기능, 신시가지는 행정·교육·주거 기능, 공업지구는 공장 등이 들어서 있다. 공업화정책과 함께 빠르게 성장한 도시로 주택·도로·교육 등 도시기반시설이 부족한 형편이다. 최근 삼산동과 다운동에 택지가 조성되어 주거지가 확대되었다.