Có những khó khăn trong xác định nhân khẩu học thiên hướng tình dục vì những lý do sau đây. Một trong những lý do chính làm cho kết quả của những thống kê số liệu đồng tính luyến ái và song tính luyến ái khác nhau là do nội dung câu hỏi. Nhiều nghiên cứu từng bàn về thiên hướng tình dục. Hầu hết những nghiên cứu sau đây dựa vào số liệu thống kê mà đối tượng tự xác định về thiên hướng tình dục của họ nên vấn đề là nhạy cảm. Một nhóm số liệu thống kê về tỉ lệ tự xác định kinh nghiệm và bị hấp dẫn tình dục trong khi nhóm số liệu khác thống kê về tự xác định nhận thực bản thân là đồng tính hay song tính. Số chủ đề về tự xác nhận là đồng tính hoặc song tính thì ít hơn là về kinh nghiệm hoặc hấp dẫn tình dục đối với người cùng giới. Xác định độ phổ biến của các thiên hướng tình dục thì khó khăn vì thiếu số liệu thực sự tin cậy. Có nhiều vấn đề sau đây: Số liệu về tỉ lệ người đồng tính có ý nghĩa trong việc hoạch định các chính sách chẳng hạn như xác định chi phí và phúc lợi của từng gia đình, tác động của việc hợp pháp hóa đồng tính, sự kỳ thị. Hai trong số những nghiên cứu nổi bật nhất về nhân khẩu học thiên hướng tình dục là "Hành vi tình dục ở nam giới" (1948) và "Hành vi tình dục ở phụ nữ" (1953). Hai nghiên cứu này dùng một thang bảy điểm để xác định hành vi tình dục từ 0 (hoàn toàn dị tính luyến ái) đến 6 (hoàn toàn đồng tính luyến ái). Kinsey kết luận rằng tất cả mọi người trừ một tỉ lệ nhỏ tương ứng với một điểm nào đó hoặc là một dạng song tính luyến ái (từ 1 đến 5). Ông cũng báo cáo rằng 37% nam giới trưởng thành ở Hoa Kỳ từng đạt cực khoái khi có "tiếp xúc" với nam giới khác và 13% phụ nữ từng đạt cực khoái khi có "tiếp xúc" với phụ nữ khác. Tuy nhiên, một nhóm học giả gồm John Tukey, Frederick Mosteller và William G. Cochran đã không đồng ý với kết quả này đặc biệt là vào 1954 khi cho rằng nghiên cứu của Kinsey dựa trên mẫu thống kê không phổ quát nên có thể làm cho kết quả sai lệch. Paul Gebhard, giám đốc Viện nghiên cứu tình dục Kinsey, đã dành nhiều năm kiểm tra dữ liệu của Kinsey và chọn lọc lại. Năm 1979, Gebhard (với Alan B. Johnson) kết luận rằng kết quả của Kinsey đã không bị ảnh hưởng đáng kể khi phát hiện 36.4% nam giới từng có cả quan hệ khác giới và cùng giới so với số liệu của Kinsey là 37%. 2003: cuộc thống kê lớn và kỹ lưỡng nhất ở Úc cho đến nay là phỏng vấn qua điện thoại đối với 19.307 người ở độ tuổi 16 đến 59 năm 2001-2002. Nghiên cứu phát hiện 97.4% nam giới tự xác định họ là dị tính, 1.6% đồng tính, 0.9% là song tính luyến ái. Đối với phụ nữ, tỉ lệ tương ứng là 97.7% dị tính, 0.8% đồng tính và 1.4% song tính. Tuy nhiên, 8.6% nam giới và 15.1% phụ nữ cho biết có cảm giác bị hấp dẫn bởi người cùng giới hoặc từng có kinh nghiệm tình dục với người cùng giới. Một nửa nam giới và hai phần ba phụ nữ từng có tình dục đồng giới cho rằng họ là dị tính hơn là đồng tính. 1988: trong một thăm dò ngẫu nhiên ở 6.300 người Na Uy, 3,5% nam giới và 3% phụ nữ cho biết từng có quan hệ đồng tính. 2003: theo cuộc Thăm dò tình dục toàn cầu Durex 2003, 12% người Na Uy từng có quan hệ tình dục đồng giới. 1990: "Đồng tính luyến ái/dị tính luyến ái: những khái niệm về thiên hướng tình dục" đăng phát hiện rằng 13,9% nam giới và 4,25% phụ nữ từng có cảm giác đồng tính "mạnh mẽ". 2008: CNN thực hiện cuộc thăm dò cho thấy tỉ lệ tự xác định đồng tính và song tính là 4% trong cuộc bầu cử tổng thống Hoa Kỳ 2008.