Rallyt är en av mer än 600 som hålls över hela världen på presidentens första hela dag i ämbetet.
Syftet är att lyfta fram kvinnors rättigheter, som demonstranter anser vara hotade av den nya administrationen.
Mr Trump deltog i en multi-tro tjänst i Washington National Cathedral och sedan besökte CIA: s högkvarter.
I ett tal där sade han att han var "1000%" bakom sina anställda och också räckt mot en "ohederlig" media. Han hänvisade inte till lördagens protester.
Protester svärmade gator och tunnelbanestationer i USA:s huvudstad på lördag när de var på väg till National Mall för att höra tal från Scarlett Johansson, Ugly Betty star America Ferrera, Ashley Judd, Gloria Steinem och Michael Moore bland annat.
Senaste: Massprotest i USA
Organisatörer hade ursprungligen sökt tillstånd för 200.000 människor, men senare sade de att de väntade så många som en halv miljon, vilket skulle dvärgfredagens invigningspublik, rapporterade Washington Post.
En planerad marsch till Vita huset visade sig vara omöjlig eftersom hela rutten var fylld med demonstranter.  Interim DC polischef Peter Newsham sade Associated Press: "Publiken sträcker sig så långt att det inte finns något utrymme kvar att marschera."
Men det finns andra protester i omkring 300 städer över hela USA, från New York till Seattle. Omfattningen av valdeltagandet i Chicago fick polisen att utse det till ett rally snarare än en marsch.
Organisatörer av ett Londonmöte sade att mellan 80.000 och 100.000 människor hade deltagit där.
Under sitt tal i Washington rev Michael Moore upp ett exemplar av Washington Post och sade: " Rubriken var 'Trump tar makten'. Jag tror inte det. Här är kraften. Här är majoriteten av Amerika. Vi är majoriteten."
Sångaren Madonna gjorde också ett framträdande, svor flera gånger i ett tal som bars live av stora amerikanska TV-nätverk.
"Ja, jag är upprörd. Ja, jag har tänkt väldigt mycket på att spränga Vita huset, sa hon.
Amerika Ferrera sade till folkmassan: "Vi marscherar idag för den moraliska kärnan i denna nation, mot vilken vår nya president för krig."
Många kvinnor har stickat rosa "pussel hattar" - en hänvisning till en inspelning som dök upp under valkampanjen där Mr Trump talade om groping kvinnor.
Den besegrade presidentkandidaten Hillary Clinton skickade en tweet av stöd.
Organisatörer av kvinnomarschen i Washington sade i ett uttalande: "Kvinnomarschen mot Washington kommer att sända ett djärvt budskap till vår nya regering på deras första dag i ämbetet, och till världen att kvinnors rättigheter är mänskliga rättigheter."
De sade att protesten inte bara skulle handla om kvinnors rättigheter utan att den skulle locka "människor av alla kön, åldrar, raser, kulturer, politiska tillhörighetar och bakgrunder", med stöd från sådana som Amnesty International.
Rallyt är fredligt, lindrar rädslan för en upprepning av det våld som inträffade efter invigningsceremonin på fredag, när demonstranter slog sönder fönster. Över 200 arresterades och sex poliser skadades.
Anti-Trump marscher har redan ägt rum i Australien, Nya Zeeland och i asiatiska städer som Bangkok.
Flera tusen kvinnor och män deltog i ett rally i centrala Sydney, med ett liknande antal i Melbourne.
Kvinnors mars Sydney medgrundare Mindy Freiband berättade för publiken där: "Hatrat, hatpropaganda, trångsynthet, diskriminering, prejudikatpolitik - det är inte amerikanska problem, det är globala problem."
Amerikanska utvandrade Bill Scholer, som protesterade i Tokyo, sade till nyhetsbyrån Reuters: " Allt vi värdesätter kan vara borta. Det är dags att tala om era tankar och bekymmer och att göra vårt bästa för att rädda de värderingar vi värnar om i Amerika."
London, Belfast, Cardiff, Edinburgh, Leeds, Liverpool, Manchester och Bristol var bland de brittiska städer som höll protester, medan Barcelona, Rom, Amsterdam, Genève, Budapest, Prag och Berlin var bland de europeiska städerna.
Mr Trump's Washington National Cathedral service var planerad att vara hans enda officiella engagemang på lördag, även om det meddelades att han skulle besöka CIA HQ i Langley, Virginia, på eftermiddagen.
I ett tal där berättade han om 400 anställda: "Det finns ingen som känner sig starkare om underrättelsetjänsten och CIA än jag."
Under valkampanjen hade Trump skarpt kritiserat underrättelsemyndigheterna för deras inställning till påstådd rysk inblandning.
Mr Trump talade också upp sin ännu-för-be-be-be-bekräftade nominering till CIA chef, Mike Pompeo.
"Du kommer att få en total pärla," sade han till de anställda.
Mr Trump har redan beställt byråer för att lätta den "ekonomiska bördan" av de hälsolagar som kallas Obamacare. Hans team gjorde också en snabb översyn av Vita husets webbplats.
Webbplatsens förnyelse ersätter Barack Obamas politik med Trumps nya agenda.
Den nya administrationen listar bara sex frågor på webbplatsen - energi, utrikespolitik, sysselsättning och tillväxt, militär, brottsbekämpning och handelsavtal.
Kritiker påpekar att de inte nämner medborgerliga rättigheter, hbtq-rättigheter, hälso- och sjukvård eller klimatförändringar.
Hundratusentals har samlas för en "Women's March on Washington", en del av en global dag av protester mot den nya amerikanska presidenten Donald Trump.