Mange av demonstrantene bar bilder av Mustafa Kemal Atatürk, grunnleggeren av den sekulære staten.
– Tyrkia er sekulært og skal fortsette å være sekulært, ropte demonstrantene.
Den tyrkiske opposisjonen har blokkert valget av ny president i nasjonalforsamlingen og hindret dermed at utenriksminister Abdullah Gül fra det islamistvennlige regjeringspartiet AKP ble landets nye president.
Opposisjonen frykter at Gül ville ha utvannet det sekulære styresettet i Tyrkia.
– Vi kommer til å fortsette å demonstrere til vi oppnår resultater. Dette er vår plikt så lenge det finnes en utvikling som truer den sekulære republikken, sa en av arrangørene av søndagens demonstrasjon.
Tyrkisk politi hadde plassert store styrker i gatene i Izmir før demonstrasjon etter at en bombe eksploderte på et marked i Tyrkias tredje største by lørdag.