На территории Воронежской области проживают представители десятков национальностей.
Однако более 97% всего населения приходится на два народа: русских (94,1%) и украинцев (3,1%). Численность русских составляет около 2 200 000 человек. Второй по численности народ — украинцы (более 70 000 человек). На протяжении десятилетий третьим по численности народом были белорусы.
Последние годы внесли существенные коррективы в национальный состав населения. С 1989 года по 2009 год в Воронежской область прибыло свыше 5 500 азербайджанцев, 3 000 армян, 4 500 грузин, более 5 500 молдаван, 1 800 казахов, 1 500 киргизов, более 1 500 таджиков и узбеков. По неофициальным данным эти цифры значительно выше. В Воронежской области проживает несколько десятков тысяч азербайджанцев и армян. Азербайджанцы стали третьим по численности этносом Воронежской области.
Современный этнический состав во многом связан с историей заселения и современными миграциями. В 1897 году Воронежская губерния имела 2 500 000 жителей, из которых 1 000 000 — украинцы. Причём в южных районах украинцы составляли подавляющее большинство: например, 89% — в Богучарском уезде, 96% — в Острогожском уезде.
Уже к началу XX века украинцы в значительной степени смешались с русскими. Этот смешанный тип получил бытовое название «хохлы», большая часть которых именует себя русскими, что подтверждает и современная статистика. Лишь 3% населения Воронежской области считают себя украинцами, а 15 лет назад таковыми себя называли более 5%. Но украинский тип все ещё четко прослеживается, особенно в сельской местности — в планировке поселений, обустройстве жилища, круглых «погребах», в особом говоре, кухне и микрокультуре.
Миграции конца 1980-1990-х годов также способствовали изменению национального состава Воронежской области. Несмотря на то, что русские составляют основную часть мигрантов, вынужденных переселенцев и беженцев, их доля более чем на 10% ниже, чем в национальном составе коренного населения. В последние годы доля русского населения несколько уменьшилась в целом ряде поселений и районов. Ряд сельских поселений области превратился в «национальные анклавы», например, село Колодежное (Подгоренский район) — компактное проживание турок-месхетинцев, село Верхняя Хава — чеченцев, Репьёвский район — армян.
К русским относят себя 94% населения области, являющегося, как правило, южной ветвью русского народа.
Воронежский край дал стране многих писателей и поэтов, значительное число учёных и других деятелей, что позволило Владимиру Павловичу Семёнову, известному русскому географу, назвать Воронежскую область не только «материальной», но и «духовной житницей России».
В связи с демократизацией общества растёт религиозность населения. Подавляющее большинство жителей — последователи Русской Православной церкви, которая имеет на территории области десятки храмов. Многие из них открылись заново за последние годы. Происходит возрождение монастырей, среди которых — известный Акатов женский монастырь в городе Воронеже, пещерные монастыри в селе Костомарово и селе Белогорье (Подгоренский район), музей-заповедник «Дивногорье» (Лискинский район) и ряд других.
Православную религию исповедуют русские, украинцы и белорусы. Группу исламских народов составляют турки-месхетинцы, татары, азербайджанцы, народы Северного Кавказа. Большинство армян — сторонники христианской армяно-григорианской апостольской церкви. Многие евреи, которые проживают в основном в городах, а также в селе Ильинка Таловского района, исповедуют иудаизм. Еврейской общине города Воронежа возвращено здание синагоги. В Воронежской области несколько сот последователей христианских протестантских течений и сект: Свидетели Иеговы, Евангелистские христиане-баптисты, «пятидесятники» и другие.
