A região é composta por nove municípios: Carapebus, Campos dos Goytacazes, Cardoso Moreira, Conceição de Macabu, Macaé, Quissamã, São Francisco de Itabapoana, São Fidélis e São João da Barra.

Em números absolutos, o município mais populoso é Campos dos Goytacazes, seguido de Macaé, que são os dois municípios mais importantes da região. Campos dos Goytacazes é o maior tanto em termos de extensão territorial quanto de população. Ele, juntamente com Macaé, concentra aproximadamente 73,2% da população total da MRNF, conforme os dados do Censo de 2010.

O primeiro município se destaca pelo dinamismo do setor de serviços, especialmente serviços educacionais, e pela proximidade com São João da Barra e Macaé, compondo uma rede regional articulada por relações funcionais. O segundo, Macaé, tem uma centralidade importante na geração de trabalho, atraindo fluxos migratórios de longa e média distâncias para gerar intensos movimentos pendulares.

Contudo, Campos dos Goytacazes perdeu participação na população da região Norte Fluminense ao longo do tempo. Em 1970, a participação do município na população total era de 65,51%, e em 2010 era de 54,59%. Mesmo considerando a participação de Cardoso Moreira, emancipado de Campos na década de 1990, o município continua perdendo participação.

Por outro lado, Macaé aumentou sua participação na população regional, de 13,44% em 1970 para 28,36% em 2010. Considerando a participação dos municípios emancipados (Carapebus e Quissamã), a participação de Macaé dobrou no período.

Macaé apresentou o maior crescimento populacional a partir da década de 1980, em decorrência do fortalecimento econômico da cadeia produtiva da indústria de exploração e produção de petróleo e gás na Bacia de Campos.

As pirâmides etárias representam a população relativa de homens e mulheres, geralmente em grupos etários quinquenais, em um determinado momento. Sua representação é um gráfico de barras distribuídas à direita e à esquerda de um eixo vertical central, com os homens representados nas barras à esquerda e as mulheres à direita. No eixo das abcissas, é representada a proporção de pessoas, e no eixo das ordenadas, os grupos de idades. A partir da análise da base e da forma das pirâmides, é possível fazer inferências sobre o crescimento populacional, comportamento da natalidade, mortalidade e migração.

No caso das pirâmides etárias que representam o padrão por sexo e idade da região Norte Fluminense, nota-se que, em 1970, havia uma grande proporção de jovens abaixo de 20 anos, com uma forte diminuição relativa da população a partir dessa faixa etária. Como os maiores fluxos migratórios estão associados à migração em busca de trabalho e renda, a migração tende a ser seletiva por idade. No caso da região Norte Fluminense, a menor proporção de pessoas com mais de 30 anos pode ser associada à emigração de jovens para fora da região até meados da década de 1980. Em 1980, já se nota um pequeno arrefecimento da emigração observada na década anterior, mas é a partir do Censo de 1991 que a região passa a ser considerada receptora de pessoas em idades produtivas. Muito provavelmente, em função do aquecimento econômico na região entre as décadas de 1980 e 2000, essa imigração foi certamente associada à criação de novos postos de trabalho nas cidades de destino, especialmente em Macaé.

Adicionalmente, a análise das bases de todas as pirâmides etárias indica uma progressiva queda na fecundidade e mortalidade, refletindo o avanço da transição demográfica observado em praticamente todas as regiões brasileiras. Apesar de já ser perceptível um ligeiro envelhecimento da população em 2010, o padrão etário ainda se concentrava nas idades mais jovens. Nesse contexto, em comparação com outras regiões do país, a região Norte Fluminense, mais em função da entrada de imigrantes do que dos efeitos da transição demográfica, possuía uma alta proporção de população em idade ativa em relação à população de crianças e idosos.

Nesse sentido, em 2010, a região se encontrava diante de uma janela de oportunidades proporcionada por um bônus demográfico devido à forte entrada de migrantes em idade ativa.