Die Hafenstadt liegt auf 51°29' nördlicher Breite und 3°10' westlicher Länge am Bristol Channel. Durch die Stadt fließt der River Taff. Etwa 10 Meilen (ca. 16 km) vom Stadtzentrum entfernt liegt im Südwesten der internationale Flughafen der walisischen Hauptstadt. Cardiff liegt direkt am Motorway M4, der den Süden Englands und Wales in Ost-West Richtung von London bis westlich von Swansea (Abertawe) durchquert.