Die Einwohnerzahl von Hoyerswerda stieg im Mittelalter und der frühen Neuzeit nur langsam. Durch die zahlreichen Kriege, Seuchen und Hungersnöte ging sie immer wieder zurück. Bis Mitte des 20. Jahrhunderts lebten in der Stadt nur einige tausend Menschen. Nach dem Bau des Braunkohleveredelungswerkes Gaskombinat Schwarze Pumpe im Jahre 1955 beschleunigte sich das Bevölkerungswachstum rasant. Die Einwohnerzahl stieg von rund 10.000 im Jahre 1956 auf ihren historischen Höchststand von über 71.000 im Jahre 1981. Inzwischen ist die Bevölkerungszahl jedoch wieder stark gesunken.
Am 31. Dezember 2011 betrug die amtliche Einwohnerzahl von Hoyerswerda nach Fortschreibung des Statistischen Landesamtes des Freistaates Sachsen 35.673 (nur Hauptwohnsitze). Seit der Wende in der Deutschen Demokratischen Republik hat die Stadt vor allem wegen der Abwanderung aufgrund der hohen Arbeitslosigkeit und in zunehmendem Maße wegen des Geburtendefizits 40 Prozent ihrer Bevölkerung (rund 27.000 Personen) verloren. In Bezug auf die damaligen Stadtgrenzen hat Hoyerswerda seit Ende 1988 sogar über 46 Prozent seiner Bewohner (rund 32.000 Personen) eingebüßt. Schätzungen des Statistischen Landesamtes besagen, dass die Bevölkerungszahl auf unter 30.000 im Jahre 2020 sinken könnte. Da sich der Bevölkerungsschwund in letzter Zeit allerdings abgeschwächt hat, wird diese Prognose heute auch des Öfteren in Frage gestellt. Von der TU Dresden wurden 2011 für Hoyerswerda auch für 2035 noch 28.700 Einwohner prognostiziert.