Cossebaude liegt im äußersten Nordwesten Dresdens auf der linken Elbseite. Größtenteils befindet es sich im Elbtalkessel, erstreckt sich aber den Elbhang hinauf bis zur Lösshochfläche des Meißner Hochlands. Im Osten grenzt Cossebaude an den Ortsamtsbereich Cotta, im Süden an die Ortschaft Mobschatz und im Südwesten an Oberwartha, die allesamt ebenfalls zu Dresden gehören. Westlich benachbart liegt die Gemeinde Klipphausen. Die Elbe trennt die Ortschaft Cossebaude im Norden von der Großen Kreisstadt Radebeul und im Osten auf einem 100 m langen Flussabschnitt vom Dresdner Ortsamtsbereich Pieschen. Wichtigste Gewässer neben der Elbe sind das untere Speicherbecken des Niederwarthaer Pumpspeicherwerks, der abschnittsweise die westliche Ortschafts- und Stadtgrenze bildende Tännichtgrundbach sowie der Lotzebach. Das Gebiet der Ortschaft Cossebaude liegt in Höhen zwischen 101 und 240 m ü. NN. Erstere Angabe bezieht sich auf das Elbufer an der Stadtgrenze in Niederwartha, wobei es sich um den tiefstgelegenen natürlichen Punkt in der Landeshauptstadt handelt. Cossebaude hat Anteil am Landschaftsschutzgebiet Linkselbische Täler zwischen Dresden und Meißen.