Cagnes-sur-Mer liegt östlich von Cannes und westlich von Nizza an der Mittelmeerküste. Es besteht aus dem eigentlichen Stadtzentrum, den beiden Stadtteilen Le Haut de Cagnes und Le Cros de Cagnes sowie aus weiteren Vorortbezirken.
Le Haut de Cagnes liegt auf einem Hügel oberhalb des Stadtzentrums. An höchster Stelle befindet sich das Grimaldi-Schloß sowie ein Schlossplatz mit Blick auf die Seealpen. Das Ortsbild prägen enge, verwinkelte Gassen.
Le Cros de Cagnes ist der am rund 4 Kilometer langen Strand gelegene Stadtteil. Er ist touristisch geprägt und besitzt einen kleinen Fischerhafen.
Im Westen angrenzend an die Nachbargemeinde Villeneuve-Loubet mündet der Fluss Loup ins Mittelmeer. Mitten durch die Stadt fließt der Fluss Cagne, er gab der Stadt seinen Namen. Hier nimmt er auch seinen rechter Zufluss Malvan auf. Im Stadtzentrum sind beide streckenweise überbaut. Er mündet ebenfalls ins Mittelmeer.
