Partiets Anna McMorrin röstade 26.081 röster med Tories Craig Williams 21.907.
Men Tory walesiske sekreterare Alun Cairns höll snävt fast vid sin plats i Glamorgan, där partikollega David Davies behöll Monmouth.
I Pontypridd hade Owen Smith mer än dubbelt så många röster som den konservativa Juliette Ash.
Och Labours Nick Thomas-Symonds hade nästan dubbelt så många röster som Tories' Graham Smith i Torfaen.
McMorrin sade att Labour kämpade "en mycket positiv och energisk kampanj" i Cardiff norr, med massor av människor som knackar på dörrar.
Hon sade att det var en kombination av walesiskt labour och budskapet från det brittiska partiet som vann segern.
Den nya norra ledamoten i Cardiff sade att de konservativa gjorde det till ett Brexit-val och det är nu viktigt att landet får "det bästa, mest förnuftiga avtalet".
Craig Williams, som förlorade sin plats för de konservativa, sade att det inte skulle finnas någon brådska att döma.
I en tweet för att tacka supportrar, sade han att han var "hjärtad", lägga till "sorg jag svek dig".
Jessica Morden slog de konservativas Natasha Ashgar med mer än 8000 röster för att behålla sitt Newport East säte.
Och Chris Evans höll Islwyn med 58,8% av rösterna, medan Gerald Jones höll Mertyr Tydfil och Rhymney.
I Blaenau Gwent slog Nick Smith Plaid Cymru med 18 787 röster mot 6880.
Paul Flynn behöll Newport West-sätet, liksom Ann Clwyd i Cynon Valley och Wayne David i Caerfilly.
Chris Bryant behöll bekvämt Rhondda, en plats som intogs av Plaid-ledaren Leanne Wood i församlingens val, med nästan tre gånger så många röster som Plaid-kandidaten.
Chris Elmore behöll också Ogmore, Jo Stevens höll Cardiff Central, Kevin Brennan höll Cardiff West och Stephen Doughty höll på till Cardiff South och Penarth, allt för Labour.
Tories hade riktat in sig på Bridgend, men Madeleine Moon behöll sätet för Labour med mer än 4.000 röster.
Jo Stevens, som ökade sin majoritet i Cardiff Central for Labour till mer än 17.000, sade att de hade "kört en mycket positiv kampanj".
Hon sa att Jeremy Corbyn var "en fantastisk man, en ärlig politiker, människor varmt för honom - du har sett större valdeltagande för ungdomar".
Owen Smith, som förra året stod i en Labour ledarskapstävling mot Mr Corbyn, sade: "Jag hade helt fel i att känna att Jeremy inte skulle kunna göra detta bra och jag tror att han har visat mig fel och många människor fel och jag tar av min hatt till honom."
Han sade att han trodde att Labourmanifestet hade varit "otroligt populärt".
"Människor värmde tydligt upp de radikala idéer som föreslogs i manifestet", tillade han.
"De vill få ett slut på åtstramningarna - de vill se en regering som investerar i offentliga tjänster och vi hörde det på tröskeln."
Cardiff West MP Kevin Brennan tillägnade sin seger till den avlidne f.d. premiärminister Rhodri Morgan, som hade lanserat sin kampanj.
"En av anledningarna till att vi har gjort så bra ifrån oss i Wales och över hela landet har varit det positiva manifestet vi hade, de positiva idéerna i jämförelse med en ganska dyster negativ vision av en hård Brexit, en laissez-faire, mindre jämlikt samhälle under de konservativa", sade han.
Labour har tagit det norra sätet i Cardiff från de konservativa.