มีจำนวนประชากรทั้งสิ้น 1,310,259 คน แยกเป็นชาย 654,508 คน หญิง 655,751 คน โดยมีอำเภอที่มีประชากรมากที่สุดได้แก่ อำเภอเมืองร้อยเอ็ด 118,789 คน รองลงมาได้แก่ อำเภอเสลภูมิ มีจำนวน 108,063 คน และอำเภอสุวรรณภูมิ มีจำนวน 106,451 คน สำหรับอำเภอที่มีความหนาแน่นของประชากรมากที่สุด คือ อำเภอจังหาร โดยมีอัตราความหนาแน่น 295 คนต่อตารางกิโลเมตร รองลงมาได้แก่ อำเภอเมืองร้อยเอ็ด มีอัตราความหนาแน่น 240 คนต่อตารางกิโลเมตร และอำเภอเชียงขวัญมีอัตราความหนาแน่น 215 คนต่อตารางกิโลเมตร โดยอัตราความหนาแน่นโดยเฉลี่ยของจังหวัดอยู่ในระดับ 158 คนต่อตารางกิโลเมตร

โดยประชากรมีกลุ่มชาติพันธุ์ต่าง ๆ ดังต่อไปนี้

• กลุ่มภาษาไทย-ลาว เป็นคนกลุ่มหลักในจังหวัดร้อยเอ็ด แบ่งย่อยเป็น 2 กลุ่มได้แก่ 1. ชาวไทยอีสานเดิม คนกลุ่มนี้มีภาษาไทยที่เป็นเอกลักษณ์เรียกว่า "สำเนียงร้อยเอ็ด" ไม่พบการใช้สำเนียงนี้ในที่อื่นนอกจากร้อยเอ็ด เป็นกลุ่มภาษาเดียวในภาคอีสานที่จังหวัดอื่นไม่มี สันนิฐานว่าเป็นชนพื้นเมืองร้อยเอ็ดในรุ่นแรกที่เข้ามาอาศัยไม่ต่ำกว่า 500 ปี จนวิวัฒธนาการมีภาษาและสำเนียงของตน ทางประเทศลาวได้กำหนดภาษาลาวไว้ 6 สำเนียง โดยสำเนียงร้อยเอ็ดนี้ทางประเทศลาวได้จัดให้เป็นภาษาลาวตะวันตก มีในเฉพาะในจังหวัดร้อยเอ็ดเท่านั้นและไม่พบการพูดสำเนียงนี้ในที่อื่นๆรวมถึงประเทศลาว แต่ทั้งนี้และทั้งนั้น ภาษาลาวจัดอยู่ตระกูลภาษาขร้า-ไท เช่นเดียวกับภาษาไทยทุกสำเนียง แต่ที่ถูกเรียกเป็นภาษาลาวเพราะทางการลาวใช้สำเนียงเวียงจันทน์เป็นภาษากลางในการจำแนก จึงทำให้สำเนียงร้อยเอ็ดถูกจัดให้อยู่ในกลุ่มลูกของภาษาลาว เนื่องจากมีความใกล้กับภาษาเวียงจันทน์มากกว่าทางกรุงเทพมหานคร 2. ชาวไทยอีสานใหม่ เป็นกลุ่มชาวไทยอีสานที่โยกย้ายกันในยุคต้นกรุงรัตนโกสินทร์เป็นต้นมา ไม่ว่าจะเป็นยุคสงครามหรือการเมือง คนไทยอีสานในกลุ่มนี้ไม่ได้ใช้สำเนียงร้อยเอ็ด แต่ใช้ภาษาอีสานที่มีในอีสานเหนือ, อีสานกลาง รวมถึงสำเนียงลาวใต้ที่พบในแขวงจำปาสัก, แขวงอัตตะปือ อีกทั้งมีการพบสำเนียงลาวเวียงจันทน์ที่โย้ยย้ายเข้ามาช่วงต้นกรุงรัตนโกสินทร์
• กลุ่มภาษาเขมร เป็นคนพื้นเมืองร้อยเอ็ด แต่มีบรรพบุรุษเชื้อสายเขมร อยู่ในอำเภอสุวรรณภูมิ และอำเภอเกษตรวิสัย กลุ่มคนเหล่านี้มีภาษาใกล้เคียงกับชาวเขมรในอีสานใต้ หรือที่เรียกกันว่าภาษาเขมรสูง แยกเป็นอีกสำเนียงหนึ่งในตระกูลภาษาเขมร โดยคนกัมพูชาฟังไม่ค่อยเข้าใจ แต่ชาวเขมรสูงในประเทศไทยสามารถฟังภาษาเขมรในกัมพูชาแตกฉาน
• กลุ่มภาษาส่วย-กูย เป็นคนที่อยู่ในจังหวัดร้อยเอ็ด มีเชื่อสายเป็นชาวส่วยหรือกูย อยู่บริเวณอำเภอสุวรรณภูมิ, อำเภอปทุมรัตต์ และอำเภอโพนทราย ติดต่อกับจังหวัดศรีสะเกษ ภาษากูยจัดอยู่ในตระกูลภาษาออสโตร-เอเชียติก เช่นเดียวกับกลุ่มภาษามอญ-เขมร แต่ชาวกูยแยกสายออกมาเป็นเวลานานมากจึงทำให้มีภาษาใหม่ ปัจจุบันภาษากูยถูกแยกย่อยเป็นอีกกลุ่มภาษาคือกลุ่มภาษากะตู ภาษาย่อยกูย
• กลุ่มภูไทหรือผู้ไท เป็นกลุ่มที่ตั้งถิ่นฐานในเขตอำเภอเมยวดี, อำเภอหนองพอก ซึ่งติดต่อกับจังหวัดกาฬสินธุ์, ยโสธร และมุกดาหาร คนกลุ่มนี้เข้ามาในประเทศไทยตั้งแต่ต้นกรุงรัตนโกสินทร์ ยาวจนมาถึงสมัยรัชกาลที่ 5 โดยในปัจจุบันคือแขวงหัวพัน, แขวงเชียงขวาง, แขวงพงสาลี รวมถึงดินแดนสิบสองจุไท หรือในปัจจุบันคือจังหวัดเดียนเบียนฟูในประเทศเวียดนาม พูดภาษาผู้ไท และเรียกตนเองว่าไทนำหน้า เช่น ไทดำ นอกจากนี้ภาษาใกล้เคียงมากกับชาวไทพวน โดย "พวน" คือชื่อเมือง
• กลุ่มไทย้อ เป็นกลุ่มที่มีเชื้อสายมาจากแขวงคำมวน ประเทศลาว อาศัยอยู่ในเขตอำเภอโพธิ์ชัย ภาษาไทญ้อจัดอยู่ในกลุ่มภาษาไทตะวันตกเฉียงใต้ ในประเทศไทยมีจำนวนกว่า 50,000 คน ถึงแม้ในอดีตจะมาจากฝั่งประเทศลาว แต่ชาติพันธุ์ไทญ้อไม่ได้ถูกนับรวมกับกลุ่มภาษาลาวทั้ง 6 สำเนียงจากทางการ ภาษาไทญ้อใกล้เคียงกับภาษาภูไท, ผู้ไท, พวน, ลาวโซ่ง และไทดำ

นอกจากนั้นยังมีกลุ่มคนอพยพเข้ามาอาศัยในจังหวัดร้อยเอ็ดในภายหลัง ได้แก่ กลุ่มชาวจีน, ชาวเวียดนาม, แขก