מחקר על דתיות, חילוניות ורווחה ברחבי העולם מציין כי אין זה סביר שרוב האתאיסטים והאגנוסטים מבססים את החלטתם לא להאמין באלים על ניתוח מדויק ורציונלי של טיעונים פילוסופיים ומדעיים, שכן ציונים של מבחני ידע מדעי בחברות בהן אתאיזם או תאיזם נפוצים הם גרועים באותה מידה, ובחברות כאלה יש אמונות על-טבעיות נרחבות מלבד אלים. בסקירה של מחקרים פסיכולוגיים על אתאיסטים, מיגל פריאס ציין כי מחקרים שהגיעו למסקנה כי חשיבה אנליטית מביאה לאמונה דתית נמוכה יותר "אינם מרמזים על כך שהאתאיסטים מודעים או משקפים יותר את אמונותיהם שלהם, או כי אתאיזם הוא תוצאה של הפרכה מודעת של אמונות דתיות שהיו בעבר" מכיוון שגם להם יש אמונות שונות כמו בתאוריות קונספירציה של המגוון הנטורליסטי. מבחינת כפירה, חלק גדול יותר מהאנשים שעוזבים את הדת, עושים זאת יותר מסיבות מוטיבציוניות מאשר רציונליות, ורוב המקרים של עזיבת דת מתרחשים בגיל ההתבגרות ובבגרות הצעירה כאשר אדם הוא תנודתי רגשית. יתר על כן, פריאס מציין כי לא ניתן להבחין בין אתאיסטים לאנשי העידן החדש או גנוסטים, שכן יש משותף ביניהם כמו היותם אינדיבידואליסטים, נון-קונפורמיסטים, ליברליים ומעריכים נהנתנות והתרגשות. לדברי פיל צוקרמן, רוב האתאיסטים וחילונים אחרים שגדלו כדתיים, עוזבים את דתם ואת אמונותיהם בסוף שנות העשרה או תחילת שנות העשרים שלהם, בעוד ששיעור קטן יותר עושה זאת בגיל בוגר.
מחקר על אישיות ודתיות מצא כי לחברים בארגונים חילוניים (כמו המרכז לחקירה ) יש מאפייני אישיות דומים לאלו של חברי קבוצות דתיות. מחקר זה מצא כי חברי ארגונים חילוניים נוטים מאוד לתייג את עצמם בעיקר כ"אתאיסטים", אך סביר מאוד שהם יראו עצמם הומניסטים. עוד נמצא כי חברי הקבוצה החילונית אינם מראים הבדלים משמעותיים ברגש השלילי או החיובי. לאנשים שנסקרו היו גם מאפיינים דומים לגבי מצפוניות (משמעת או שליטה בדחפים, ופעולה על פי ערכים כמו "רדיפת אמת"). חברי הקבוצה החילוניים נטו להיות פחות נעימים (למשל, סביר יותר שהם מחזיקים בדעות לא פופולריות ומאתגרות חברתית), כמו גם יותר פתוחים (למשל, נוטים יותר לשקול רעיונות חדשים) מאשר בני קבוצות דתיות. לוק גאלן, חוקר אישיות, כותב "מאפיינים רבים שדווחו בעבר הקשורים לדתיות אינם פונקציה של אמונה עצמה, אלא של אמונות חזקות וזיהוי קבוצתי". קתרין קלדוול-האריס מציינת כי "לא-מאמינים" מוצאים יותר עניין בחששות לצדק חברתי, ומניחה כי הדבר נובע מחוסר האמונה שלהם בחיים שלאחר המוות, מה שמוביל להתמקדות במה שאפשר לתקן כאן ועכשיו. מחקר אחר של קלדוול-האריס מתאר אתאיסטים כמי שמסוגלים לחוות יראת כבוד, ולדבריה מפריך סטריאוטיפים של אתאיסטים כ"ציניים וחסרי שמחה". מחקר שנערך בשנת 2014 יצר שישה פרופילי אישיות שונים של 'סוגים' של לא-מאמינים, והשווה אותם לחמש התכונות הגדולות. במדינות שיש בהן רמות גבוהות של אתאיזם כמו מדינות סקנדינביות, יש בדרך כלל מעט חברים בארגונים האתאיסטיים שם, ורק אלה שיש להם קשרים למפלגה פוליטית או מציעים טקסים חוקיים הם בעלי חברות בולטת בהם.
על פי המחקר הבינלאומי של ויליאם סימס ביינברידג', אתאיזם שכיח בקרב אנשים שהחובות החברתיות הבין-אישיות שלהם חלשות וקשור גם בשיעורי פוריות נמוכים יותר במדינות תעשייתיות מתקדמות.
במחקר עולמי בנושא אתאיזם ציין הסוציולוג פיל צוקרמן כי במדינות עם רמות גבוהות יותר של אתאיזם היו גם שיעורי ההתאבדות הגבוהים ביותר בהשוואה למדינות עם רמות נמוכות יותר של אתאיזם. הוא מסיק כי המתאם אינו מצביע בהכרח על סיבתיות בשני המקרים. מחקר שנערך על דיכאון והתאבדות העלה כי לאנשים ללא השתייכות דתית יש שיעורי ניסיון התאבדות גבוהים יותר מאשר אלו עם זיקה דתית. מחקר על רווחה נפשית בקרב דתיים ולא-דתיים מצא כי רווחה נפשית של אנשים דתיים ושל אנשים שאינם דתיים תלויה בוודאות האמונה שלהם, וכי במחקרים קודמים לא בדקו את השפעת השייכות לקבוצה כאשר הם בחנו מתפללים קבועים בכנסייה. בנימין בית-הלחמי החשיב אתאיסטים בחברה המערבית כ"נוטים מאוד להיות גברים, נשואים, בעלי השכלה גבוהה", וראה באישיותם של אתאיסטים "פחות סמכותנים ונוחים להשפעה, פחות דוגמטים, פחות בעלי דעות קדומות, סובלנים יותר כלפי אחרים, שומרי חוק, רחמנים, מצפוניים ומשכילים. הם בעלי אינטליגנציה גבוהה, ורבים מחויבים לחיים האינטלקטואליים והמלומדים". בסקירה ספרותית נמצא כי להיות לא-דתי אינו כרוך בהכרח בבריאות נפשית ירודה יותר.
חלוקה גאוגרפית.
אף על פי שהאתאיסטים הם במיעוט ברוב המדינות, הם נפוצים יחסית באירופה, קנדה, אוסטרליה, ניו זילנד, מזרח אסיה והמדינות הקומוניסטיות בנות ימינו. קשה לקבוע את מספר האתאיסטים בפועל. יתר על כן, מיזוג המונחים כמו אתאיסט, אגנוסטי, לא-דתי ולא-תאיסט מוסיף לבלבול בין נתוני הסקרים.
סקר שנערך בשנת 2002 על ידי Adherents.com מעריך כי שיעור האנשים בעולם שהם "חילונים, לא-דתיים, אגנוסטים ואתאיסטים" עומד על כ-14%.
סקר שערך ה-BBC בשנת 2004 בעשר מדינות הראה כי שיעור האוכלוסייה "שאינם מאמינים באלוהים" נע בין 0% (ניגריה) ל-39% (בריטניה), כאשר הממוצע שנסקר בממוצע קרוב ל-17%, עם זאת, 8% מהנשאלים ציינו במפורש שהם רואים עצמם "אתאיסטים". השוני נראה בדעותיהם של אתאיסטים, בין היתר בעובדה לפיה "על פני כל המדגם כמעט 30% מכלל האתאיסטים שנבדקו אמרו כי הם התפללו לפעמים". 65% מהנשאלים בסקר שנערך על ידי האגודה ההומניסטית הבריטית בשנת 2011 השיבו "לא" לשאלה "האם אתה דתי?".
סקר משנת 2004 שערך ה-CIA בספר העובדות העולמי מעריך שכ-12.5% מאוכלוסיית העולם אינם דתיים, וכ-2.4% הם אתאיסטים.
סקר משנת 2005 שנערך על ידי AP/Ipsos סקר עשר מדינות. מבין המדינות המפותחות, אנשים בארצות הברית היו "הכי בטוחים" בקיומו של אלוהים או כוח עליון (2% אתאיסטים, 4% אגנוסטים), בעוד שבצרפת היו הכי הרבה ספקנים (19% אתאיסטים, 16% אגנוסטים). בשאלת הדת, בדרום קוריאה היה האחוז הגדול ביותר ללא דת (41%) ואילו באיטליה היה הקטן ביותר (5%).
מחקר עולמי של מרכז המחקר פיו שנערך בשנת 2010 מצא כי 16% מאוכלוסיית העולם אינם בעלי זיקה לדת, עם זאת, פיו מציין כי "יותר משלושה-רבעים מהדתיים שאינם בעלי זיקה לדת גרים באסיה, רובם בסין. רבים מאנשי הקבוצה הזו כן מחזיקים באמונות דתיות או רוחניות מסוימות ואף עשויים להאמין באלוהות, אך הם אינם מזדהים עם אמונה מסוימת". מתוך האוכלוסייה האתאיסטית והלא-דתית העולמית, 76% מתגוררים באסיה ובאוקיינוס השקט, ואילו השאר מתגוררים באירופה (12%), צפון אמריקה (5%), אמריקה הלטינית והאיים הקריביים (4%), אפריקה שמדרום לסהרה (2%) והמזרח התיכון וצפון אפריקה (פחות מ-1%).
מחקריו הגלובליים של הסוציולוג פיל צוקרמן בנושא אתאיזם הצביעו על כך שהאתאיזם ברחבי העולם עלול להיות בירידה עקב העובדה שבמדינות לא-דתיות שיעורי הילודה הם הנמוכים ביותר בעולם, בעוד במדינות דתיות שיעורי הילודה גבוהים יותר באופן כללי.
על פי WIN/Gallup International, בסקר שנערך בשנת 2012 בקרב 57 מדינות, 23% מהנשאלים היו "לא-דתיים" ו-13% הם "אתאיסטים משוכנעים", ובסקר שנערך בשנת 2014 בקרב 65 מדינות 22% "לא-דתיים" ו-11% הם "אתאיסטים משוכנעים". עם זאת, חוקרים אחרים יעצו לבחון בשיקול דעת את נתוני הסקר של WIN/GIA, הואיל וסקרים נרחבים יותר שהשתמשו באותו ניסוח במשך עשרות שנים ודוגמים אוכלוסייה רחבה יותר, כגון סקר הערכים העולמי, הגיעו באופן עקבי לנתונים נמוכים יותר ממנו. לדוגמה, הנתונים של סין בסקרי WIN/GIA הוערכו יתר על המידה, וכתוצאה מכך ניפחו את הסכומים הכוללים העולמיים.
מחקר תחזית עולמי של מרכז המחקר פיו משנת 2015 בנושא דת ואי-דת, חוזה כי בין 2010 ל-2050 יחלו עליות ראשוניות בכמות האנשים שאינם בעלי זיקה לדת, ואחריה, עד שנת 2050 תחל דעיכה עקב שיעורי הפריון העולמיים הנמוכים יותר בקרב דמוגרפיה זו.
מבחינת ארצות הברית, דו"ח פיו משנת 2012 הראה כי 32% מהאנשים מתחת לגיל 30, 21% מהאנשים בגילי 30–49, 15% מהאנשים בגילים 50–64 ו- 9% מהאנשים מגיל 65 ומעלה ברחבי העולם מאופיינים כחסרי זיקה לדת. עם זאת, 68% מכלל חסרי הזיקה הביעו אמונה באלוהים, ומתוך אוכלוסיית ארצות הברית כולה רק 2.4% עצמם הגדירו את עצמם "אתאיסטים".
סקר שנערך בשנת 2013 על ידי UPI/Harris הראה כי שלושה-רבעים מהמבוגרים בארצות הברית אומרים שהם מאמינים באלוהים, לעומת 82 אחוזים בשנים 2005, 2007 ו-2009. קצת פחות משניים מתוך עשרה מבוגרים בארצות הברית תיארו את עצמם דתיים מאוד, כאשר 4 מתוך 10 נוספים תיארו את עצמם כדתיים במקצת לעומת 49 אחוזים בשנת 2007. עשרים ושלושה אחוזים מהאמריקאים הגדירו את עצמם כלא-דתיים, כמעט כפול מ-12 האחוזים בסקר משנת 2007.
סקר "הנוף הדתי" שנערך בשנת 2015 על ידי פיו מצא כי נכון לשנת 2014, 22.8% מהאוכלוסייה האמריקאית אינם בעלי זיקה דתית, ואילו אתאיסטים מהווים 3.1% ואגנוסטים מהווים 4% מאוכלוסיית ארצות הברית.
סקר משנת 1998 שהתבסס על מדגם נבחר של ביולוגים ופיזיקאים מהאקדמיה הלאומית למדעים בארצות הברית מצא כי 7% האמינו בקיומו של אלוהים, 72.2% לא, ו-20.8% היו אגנוסטים או היו ספקנים. יוג'יני סקוט טענה כי ישנן בעיות מתודולוגיות במחקר, כולל עמימות בשאלות. מחקר על מדענים מובילים בארצות הברית, שכלל ניסוח ברור יותר ונתן מושג רחב יותר ל"אל", הגיע למסקנה כי 40% מהמדענים הבולטים מאמינים באל.