Según la Revisión del Padrón a 1 de enero de 2009, Palomar de Arroyos cuenta con 208 habitantes. Su densidad de población alcanza los 6,1 hab/km2. En lo que respecta a la estructura de su población, ésta muestra una tendencia al progresivo envejecimiento, registrando un 32,2% de población mayor de 65 años, en tanto que la edad media ronda los 48 años.

Las actuales cifras de población del municipio de Palomar de Arroyos y su estructura por edades resultan consecuencia de la fuerte pérdida de población que sufrió tanto la localidad como el conjunto de la provincia a partir de la segunda mitad del siglo XX. De hecho, el máximo de población de Palomar de Arroyos en época contemporánea se alcanzó en 1950, con un total de 791 habitantes, perdiendo desde entonces más del 73% de su población.

En la actualidad, tanto desde el Ayuntamiento de Palomar de Arroyos como desde la comarca de Cuencas Mineras se trabaja activamente para revitalizar la estructura demográfica y socioeconómica de la localidad, participando en los programas de fomento demográfico de la Asociación de Entidades por la Población de Teruel (HABITATE) y de la Asociación Aragonesa de Municipios y Comarcas contra la Despoblación.