Das Département liegt im Inneren des Zentralmassivs. In den Monts du Cantal, in der Mitte des Départements gelegen, befindet sich der namensgebende zweithöchsten Berg des Zentralmassivs, der Plomb du Cantal (1855 m).
Der Regionale Naturpark Volcans d’Auvergne umfasst den zentralen Teil des Départements und geht im Norden in das Département Puy-de-Dôme über. An der Départementsgrenze liegen das Granitplateau Artense und das Bergland Cézallier.
Die Dordogne fließt zumeist auf der Nordwestgrenze zum Département Corrèze, der Lot auf einem Teil der Südgrenze zum Département Aveyron. Die Truyère, ein rechter Nebenfluss des Lot, durchzieht den Südosten des Départements in einer Kette von Schluchten und Stauseen.
Das Departement gehört mit nur 25 Einwohnern je Quadratkilometer zu den am wenigsten besiedelten Gegenden Frankreichs. Entsprechend gibt es kaum größere Städte. Die Prefecture Aurillac ist mit Abstand der größte Ort, hat aber nur etwas mehr als 25.000 Bewohner.
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