Avant 1349, la population vallorbière est estimée sur la base de données pour le moins imprécises et fragmentaires, se basant sur le nombre de "feux" (foyers - familles) indiqués dans des "terriers", sorte de registres fonciers. A la fin du 16e siècle, les registres paroissiaux permettent d'y voir plus clair ; puis apparaissent au 18e siècle les recensements qui se généralisent dans la seconde moitié du 19e.

Ainsi, la population est estimée, avant 1349, année de la peste, à environ 500 personnes. La population décroît ensuite de manière vertigineuses pour arriver, en 1455, à 14 foyers, soit moins de 100 survivants ! Sous-alimentés après les attaques de la peste, les vallorbiers résistent mal aux épidémies véhiculées par les Confédérés, Bernois en tête, qui pillent les villages lors des guerres de Bourgogne ; le village a ainsi toujours moins de 100 habitants en 1499.

C'est à partir de l'an 1500 que la courbe démographique remonte : 23 chefs de famille en 1530, 51 en 1591, 101 en 1614. Après 1630, le nombre de 500 habitants est dépassé. Le premier dénombrement, en 1703, fait état de 925 personnes qui vivent à Vallorbe.  Le nombre de naissances augmente et après 1640, un enfant sur deux atteint l'âge adulte. Mais entre 1720 et 1750, l'émigration est très forte, un jeune homme sur trois quittant la commune. En 1764, Vallorbe ne recense plus que 900 habitants. La courbe retrouve ensuite un mouvement ascendant, certes lent, durant les 130 années suivantes, Puis entre 1888 et 1900, le nombre d'habitants passe de 2'123 à 3'279 ; il atteint son sommet en 1912 avec 5'310 habitants, phénomène expliqué par le percement du tunnel du Mont d'Or.

La crise des années trente, après le krach de la bourse de New-York, provoque une chute de la population qui décroit ensuite pour atteindre environ 3'592 habitants durant la seconde guerre mondiale ; depuis lors, elle est remontée pour atteindre une moyenne actuelle d'environ 4'200 habitants.