Ved opprettelsen av kommunen i 1837 hadde Tromsø rundt 1400 innbyggere. Kommunen hadde i perioden 1837–1964 tre utvidelser, alle ved overføringer fra den omliggende kommunen Tromsøysund (folkemengde ved overføringen): i 1873 (ubebodd område), i 1915 (512) og i 1955 (1590).
I 1964 ble Tromsø slått sammen med Tromsøysund, Hillesøy (unntatt Hillesøys del av Senja) og Ullsfjord (unntatt Svensbyområdet på østsiden av Ullsfjorden). Etter sammenslåingen ble Tromsø den 18. største av Norges kommuner etter areal, og ble også større enn det minste ordinære fylket, Vestfold. Sine nåværende grenser fikk Tromsø i 2008 da søndre del av Reinøya med 50 innbyggere ble overført til Karlsøy kommune.
I dag er Tromsø den tolvte største kommunen i Norge, og den mest folkerike i Nord-Norge (2023).
Bosetningen i Tromsø kommune er i stor grad konsentrert til Tromsøya og de nærliggende områdene: på fastlandet langs Tromsøysundet mellom Ramfjorden og Tønsvika og på Kvaløya langs Sandnessundet mellom Håkøybotn og Krabbelva. I dette området bor rundt 90 prosent av kommunes befolkning (2022). I kommunens utkanter, blant annet på Ringvassøya og Rebbenesøya i nord, på ytre del av Kvaløya og på de mindre øyene utenfor, samt i flere fjordstrøk, er bosetningen sparsom.
Tromsøysundet skiller Tromsøya fra fastlandet. Skipsleia går gjennom sundet. Sundet krysses av Tromsøbrua (1960) på riksvei 862 og Tromsøysundtunnelen (1994) på E6.
Tromsø by er administrasjonssenter i Tromsø kommune. Tettstedet omfatter de tettbygde områdene på Tromsøya og har 40 979 innbyggere (2021), som utgjør rundt 53 prosent av kommunes samlede befolkning. Etter åpningen av Tromsøbrua i 1960 økte tettstedsandelen av befolkningen markert i Tromsdalen og de øvrige tettstedene på fastlandet. En tilsvarende utvikling skjedde på Kvaløya etter åpningen av Sandnessundbruai 1974, i særlig grad i tettstedet Kvaløysletta.
Ifølge Statistisk sentralbyrås definisjon er det åtte tettsteder i Tromsø. Tettstedene er til sammen 23,6 km², og omfatter 1 prosent av arealet i kommunen.
Det er verdt å merke seg at det bare er tettstedsbefolkningen på Tromsøya som inngår i Tromsø tettsted. Alle kommunens øvrige sju tettsteder ligger dels på fastlandet (Tromsdalen, Fagernes, Movik), dels på de andre øyene (Kvaløysletta, Kjosen, Ersfjordbotn, Sommarøy).
Etter dagens kommunegrenser har Tromsø kommune hatt en til dels betydelig vekst i folketallet i hele etterkrigstiden. I tiårsperioden 2012–2022 utgjorde veksten gjennomsnittlig 1,2 prosent årlig, mot 0,7 prosent i fylket som helhet.