Dân tộc Mông có 30.855 người, chiếm 45,85% dân số của huyện, sinh sống chủ yếu ở các xã, bản vùng cao: Phiêng Ban, Thị Trấn, Tà Xùa, Làng Chếu, Xím Vàng, Hang Chú, Háng Đồng, Hua Nhàn, Hồng Ngài, Tạ Khoa, Mường Khoa, Phiêng Côn, Chiềng Sại, Song Pe, Chim Vàn, chủ yếu là Mông Đu (Mông đen) và Mông Đơ (Mông trắng), cư trú theo dòng họ, sống chủ yếu ở các bản vùng cao, chủ yếu làm nương, trồng ngô, lúa nương và chăn nuôi. Họ luôn giữ được phẩm chất và truyền thống tốt đẹp của dân tộc mình, đó là tinh thần tự lực cánh sinh, siêng năng, cần cù và sáng tạo trong lao động, có kinh nghiệm chăn nuôi, giỏi về kỹ thuật mộc và rèn đúc làm lưỡi cày, dao, cuốc…kỹ thuật tôi thép của người Mông khá hoàn hảo, nghề mộc thể hiện khả năng khéo léo trong việc ghép gỗ tạo thành thùng lấy nước, chứa nước, đẽo gọt gỗ làm chõ xôi, làm bát, muôi, thìa…Phụ nữ Mông tự trồng lanh dệt vải,  họ rất khéo tay, giỏi về kỹ thuật nhuộm vải, may vá, thêu thùa, có khả năng tạo hình, hoa văn rực rỡ trên vải và trang phục áo váy…

Dân tộc Thái có 20.370 người (30,27%) sinh sống ở các xã Pắc Ngà, Mường Khoa, Chim Vàn, Phiêng Ban, Hồng Ngài, Thị Trấn, Tạ Khoa, Chiềng Sại, có hai dòng Thái trắng và Thái đen, sống xen kẽ với các dân tộc khác ở vùng thấp. Hoạt động kinh tế của họ chủ yếu là sản xuất nông nghiệp, trồng lúa nước, người dân ở đây rất thuần thục về cách khai hoang ruộng bậc thang, đắp phai, khơi mương để trồng cấy lúa nước. Người Thái ở Bắc Yên có nhiều kinh nghiệm trong trồng lúa nương và các loại cây hoa màu, cây ăn quả, cây bông, có kinh nghiệm chăn nuôi gia súc, gia cầm. Họ có những phẩm chất tốt đẹp: giỏi trồng trọt, chăn nuôi, đan lát, chài lưới, săn bắn, rèn, đúc…; họ có thể tự làm các công cụ lao động và vật dụng phục vụ cuộc sống gia đình như bung, ếp, sọt, ghế mây, dao, cuốc; nữ giới giỏi quay tơ, dệt vải, đặc biệt họ rất chăm chỉ, khéo léo cùng với khả năng thẩm mỹ cao nên rất thạo dệt vải, may vá, làm chăn đệm; họ luôn giữ gìn, phát huy các giá trị truyền thống tốt đẹp, sống gắn bó với thiên nhiên, cộng đồng, cần cù trong lao động, gắn bó trách nhiệm với cộng đồng.

Dân tộc Mường có 10.633 người (15,80%), sống ở các xã Chiềng Sại, Song Pe, Tạ Khoa, Chim Vàn, Phiêng Ban và dọc quốc lộ 37. Người Mường ở Bắc Yên có nguồn gốc từ Hoà Bình chuyển đến, cư trú đan xen ở các bản người Thái. Đàn ông người Mường khéo tay, giỏi đan lát, phụ nữ giỏi thêu thùa, ươm tơ, dệt vải. Trang phục của họ đơn giản, không cầu kỳ nhưng đẹp và ưa nhìn, nam giới trước đây thường mang trang phục áo cánh màu chàm, nữ giới mặc váy và áo cánh ngắn thân có xẻ ngực hoặc xẻ ở vai. Người Mường ở nhà sàn, giỏi về kỹ thuật trồng lúa nước, phong tục tập quán trong cưới hỏi, ma chay của người Mường có nhiều nét tương đồng với người Kinh.

Dân tộc Kinh ở Bắc Yên có dân số 3.324 người (4,94%), chủ yếu sống xen với dân tộc Thái, Mường dọc theo quốc lộ 37, họ là những người đến từ các tỉnh, thành phố miền xuôi và các địa phương lân cận để làm ăn, sinh sống, buôn bán hoặc đến làm việc tại các cơ quan nhà nước, đa số họ chưa quen và hiểu sâu phong tục, tập quán các dân tộc trong huyện. Tuy nhiên, họ mang theo những nét văn hoá và phong tục tập quán, bản sắc văn hóa từ nhiều địa phương, tạo nên sự phong phú về văn hóa, đời sống tinh thần và cách thức sản xuất kinh doanh tiến bộ.

Dân tộc Dao có 1.952 người (2,9%), sinh sống ở xã Phiêng Côn và bản Suối Song, Liếm Xiên xã Song Pe (yếm đỏ). Người Dao có phong tục thờ tổ tiên là Bàn Hồ, có thể xác định dòng họ và thứ bậc của người Dao qua tên đệm, tục ở rể có thời hạn và vĩnh viễn. Người Dao sống trong các nhà sàn, nhà nửa sàn nửa đất hay nhà trệt. Trong trang phục truyền thống, nam giới mặc quần và áo đơn giản, nữ giới trang phục phong phú hơn với những trang trí hoa văn truyền thống, đầu đội khăn, đời sống chủ yếu làm nương lúa, nương ngô, sắn, chăn nuôi gia súc, gia cầm. Ma chay của người Dao được tổ chức theo tục lệ xưa...

Dân tộc Khơ Mú ở Hua Nhàn, dân số 94 người (0,14%). Mỗi dòng họ có huyền thoại kể về lai lịch của tổ tiên. Người cùng dòng họ coi nhau là anh em ruột thịt. Tuy còn nhiều khó khăn, song đời sống người Khơ Mú rất phong phú, các loại nhạc cụ như sáo, bộ gõ bằng tre, nứa, kèn môi, tiêu biểu nhất là các vũ điệu dân gian nổi tiếng như múa tơm, xòe, trăng ba, au eo...

Dân tộc khác: 67 người (0,1%) cư dân ở Bắc Yên thuộc nhiều dân tộc, có phong tục, tập quán, tín ngưỡng và ngôn ngữ khác nhau, nhưng có đặc điểm chung là chất phác, cần cù trong lao động và dũng cảm chống thiên tai và giặc ngoại xâm, từ xa xưa đã kề vai, sát cánh lao động và chiến đấu, tạo nên khối cộng đồng đa dân tộc bền vững ở địa phương, đoàn kết cùng nhau xây dựng quê hương.