En Gareth Anscombe drop-goal kantade Blues 23-20 framåt efter Gloucester Josh Hohneck var gul kardade.
Alex Cuthbert hade hjälpt nivå poäng efter synd-binning, poäng hans andra försök efter Ross Moriarty och Tom Marshall poäng sätta upp värdarna.
Men andra hälftens försök från Jonny May, Marshall, Mark Atkinson och Henry Purdy förseglade Gloucesters seger.
Cherry och Whites, som gick ut hemma i kvartsfinalen förra året, vann tävlingen 2015.
Besegra för Blues innebär att de har misslyckats med att gå längre än de sista åtta europeiska cuptävlingarna sedan de vann kontinentens näst bästa titel 2010.
I en gungande öppning 40 minuter, var poäng låsta vid fyra separata tillfällen, med Cuthbert och Moriarty handel försöker innan Blues' Steven Shingler och Gloucester Billy Burns bytte straff.
Mer av samma följde när Billy Tolftrees tog över sparka arbetsuppgifter från Burns, efter en huvudskada, som båda sidor landade ytterligare straff och Marshall första försök sätta Gloucester 20-13 upp.
Blues slog upp 10 poäng medan Gloucester var en man ner för att ta en trepunkts fördel i pausen.
Shingler förlängde det leder till sex, men det är så bra som det skulle få för Pro12 sidan, som hade Wales Sam Warburton på blindsidan flanker efter att imponera i position för Wales under Six Nations Championship.
England tränare Eddie Jones var i läktarna på Kingholm för att se maj, den enda Gloucester spelare han kallade på för deras triumferande Six Nations kampanj, korsa för den första av värdarnas fyra andra halv poäng för att försegla en ytterst övertygande seger som ser dem framsteg att spela La Rochelle - en sida de mötte två gånger och slå en gång i gruppstadiet denna termin.
Gloucester: Marshall; Sharples, Trinder, Tolvträd, Maj; Burns, Heinz (kapt); McAllister, Hibbard, Hohneck, Savage, Trast, Moriarty, Rowan, Morgan.
Ersättningar: Matu'u, Thomas, Afoa, Galarza, Ludlow, Braley, Atkinson, Purdy.
Cardiff Blues: Morgan; Cuthbert, Lee-Lo, Shingler, Scully; Anscombe, Williams; Jenkins (kapt), Dacey, Filise, Earle, Hoeata, Warburton, Navidi, Williams.
Ersättningar: Rees, Domachowski, Assiratti, Cook, Bennett, Williams, Halaholo, Summerhill.
Domare: Pascal Gauzere (Frankrike)
För de senaste rugby facket nyheter följa @bbcrugbyunion på Twitter.
Gloucester övervann Cardiff Blues för att inrätta European Challenge Cup semifinal på La Rochelle.