Trước thế kỷ XV, dân cư tập trung sinh sống chủ yếu ở Hố Trò (vùng chân núi Đọi Đèn) và cửa sông Bứa. Khi giặc Minh xâm lược nước ta, bị nghĩa quân Lam Sơn của Lê Lợi đánh bại nhiều trận, chúng phải cầu cứu vua nhà Minh cử các đạo binh xang cứu viện. Đạo quân cứu viện do Vương An Lão chỉ huy đi qua Đồng Lương đã tàn phá xóm làng, sát hại dân lành. Lúc này (có thể) nhân dân đành phiêu tán lập nên những làng mạc mới quanh vùng.

Khoảng thế kỷ XVIII, trên địa bàn Đồng Lương có 18 thôn xóm. Khi phong trào chống Chúa Trịnh ở khu vực Đồng Lương (sử cũ gọi là "Loạn thập bát tướng quân") bị thất bại, nhân dân bị sát hại, làng xóm tan tác, triều đình đã hạ chiếu, cử cụ Phùng Đăng Cảnh lên chiêu an. Cụ đã đưa dân vùng xuôi lên, cùng với nhân dân bản địa lập lại các làng: Đồng Lương, Phong Vực, Đồng Hạ... Do đó, nhân dân Đồng Lương coi cụ Phùng Đăng Cảnh là người có công tái sinh làng.

Đầu thế kỷ XIX, một động Mán từ châu Vạn Yên di cư về Hố Trò. Khi thực dân Pháp đánh chiếm Hưng Hóa, chiến sự lan tới Đồng Lương, người Mán lại về Vạn Yên. Năm 1898, thực dân Pháp lập đồn binh Phong Vực và đưa tên mật thám Ri-ner đến lập đồn điền để chế ngự vùng này. Đến năm 1920 có thêm hai điền chủ Pháp đến lập đồn điền, thuê người Việt cai quản và đưa thêm dân vùng xuôi lên làm thuê, định cư tại đây: Một đồn điền do một người tên là Đức cai quản, một đồn điền do Trần Quý Phương cai quản. Ngoài ra, ở Đồng Lương lúc này còn có một đồn điền của chính người dân nơi đây lập nên.

Cuối thế kỷ XIX, đầu thế kỷ XX, có khoảng 50 hộ dân chài sống ở cửa sông Bứa đã mua đất của nhân dân Đồng Lương và lập nên xóm chài Mỹ Hà (gọi là vạn Mỹ Hà). Đầu thế kỷ XX, trưởng vạn Mỹ Hà bị ác bá cường hào Đồng Lương tàn sát cả nhà. Sự việc này gây ra mối hận thù giữa dân chài và dân bản địa. Dân cư xóm chài Mỹ Hà dần dần tản mát, tên xóm bị xóa số.

Năm 1966, thực hiện chủ trương của Đảng và Nhà nước về việc vận động đồng bào vùng đông dân cư đi xây dựng kinh tế mới ở các vùng miền núi, Đồng Lương tiếp nhận 50 hộ gia đình di cư từ Hà Tây (cũ) lên xây dựng kinh tế mới. Số hộ dân này định cư tại khu Đá Trống, Đá Chiêng (khu Đồn Điền hiện nay).

Năm 1968, thực hiện cuộc vận động khai hoang vùng đồi núi để tránh nạn ngập lụt hàng năm ở các vùng thấp, có 79 hộ gia đình của hai làng Đồng Lương và Phong Vực chuyển lên lên vùng đồi lập xóm mới, gọi là xóm Đồi. 

Năm 1981, tỉnh Vĩnh Phú thành lập Nông trường Vạn Thắng. Một số cán bộ, công nhân nông trường đã đưa gia đình đến định cư và lập nên một xóm trong khu nông trường với trên 80 hộ gia đình công nhân. Sau khi nông trường chuyển đổi cơ chế và mô hình sản xuất thành Xí nghiệp Chè Vạn Thắng và bàn giao một phần diện tích cho Công ty Cao su, ngày 27/9/2012, Ủy ban nhân dân tỉnh Phú Thọ đã ra Quyết định số 2575/QĐ-UBND về việc thành lập khu dân cư mới thuộc xã Đồng Lương, bao gồm toàn bộ các hộ dân sinh sống trên đất Nông trường Vạn Thắng trước đây (nay là khu 16 của xã).

Từ đầu thế kỷ XX đến nay, trải qua nhiều lần tách - nhập, dân số Đồng Lương biến động khá mạnh theo xu hướng tăng lên. Năm 1903, hai làng Đồng Lương, Phong Vực có 1.362 người. Năm 1956, toàn xã Vạn Thắng có 444 hộ gia đình, 1.674 người; năm 1975, tăng lên 566 hộ, 2.908 người; năm 1987, toàn xã có 743 hộ, 3.356 người; năm 2010 có 1.251 hộ, 4.780 người. Đến cuối năm 2012, Đồng Lương có 1.333 hộ gia đình, 5.133 người. Đến hết năm 2019, Đồng Lương có 1.445 hộ dân, 5.025 người

Dân cư trên địa bàn xã Đồng Lương chủ yếu là người dân tộc Kinh, ngoài ra còn có một số ít đồng bào dân tộc thiểu số là người ở nơi khác đến xây dựng gia đình với người địa phương. 

Hiện nay, ở Đồng Lương có khoảng gần 40 dòng họ sinh sống, trong đó có 2 họ Phùng, 2 họ Nguyễn, 2 họ Hà, 2 họ Đặng cùng các họ Bùi, Vi, Lê, Hoàng, Trần, Mai, Chu, Trương, Vũ, Hạ, Điêu, Nguyễn Lương, La, Trịnh, Phí, Đỗ, Phan, Phạm, Đào, Cao, Ngô, Tạ, Đinh, Khuất, Hán, Huỳnh...

Đầu thế kỷ XX, thực dân Pháp điều một số quan lại về Đồng Lương xây dựng đồn bốt và lập đồn điền, đem theo một số giáo dân đến sinh sống và truyền đạo. Tuy nhiên, do nhân dân Đồng Lương giữ vững tín ngưỡng truyền thống, không theo đạo, nhóm dân cư này bị cô lập, đời sống gặp nhiều khó khăn nên họ đã rút đi. Hiện nay, một bộ phận dân cư của Đồng Lương theo đạo Phật. Đảng bộ và chính quyền địa phương rất quan tâm, tôn trọng, tổ chức tốt các hoạt động của Phật giáo. Bên cạnh đó, những tín ngưỡng dân gian thể hiện truyền thống lịch sử, văn hóa của dân tộc được trân trọng, đề cao. Nhìn chung, các hoạt động tôn giáo, tín ngưỡng của xã đều ổn định, gắn chặt với nhiệm vụ phát triển kinh tế, văn hóa, giữ vững an ninh, quốc phòng trên địa bàn.