Stephen Pearson och Martyn Woolford gav värdarna en välförtjänt halvtid ledning efter en dominant första halvlek.
Joe Masons huvud gav Cardiff hopp, men en slick motattack såg Woolford återställa två mål fördel.
Cardiff svarade igen genom Heidar Helguson endast för debutant Sam Baldock att äntligen sätta resultatet utom allt tvivel med tre minuter kvar.
Bristol Citys sista två mål gav en bild av skillnaden mellan de två sidorna när de bröt med tempo och syfte att riva upp Cardiffs försvar.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Besökarna, som erbjöd nästan ingenting i den första halvan av en match som sparkade igång innan dagens andra Championship fixturer, mycket missade Craig Bellamy penetration som startfront tre av Helguson, debutant Tommy Smith och Don Cowie misslyckades med att göra någon effekt.
Masons introduktion och en förändring av formationen vid halvtid förvandlade Cardiff, vilket ger chef Malky Mackay mat för tanke eftersom han överväger hur man bäst formar en ny-look sida.
Men det fanns gott om positiva för Robins manager Derek McInnes som hans sida gjorde fyra mål för en på varandra följande Championship match för att säkra endast en andra seger över Cardiff i de senaste 10 ligan möten.
Bristol Citys tryck ökade gradvis när den första halvan bar på, och den taktfulle Albert Adomah utnyttjade utrymmet från Cardiffs framskridande fullbackar.
Adomah slösade bort den första klara chansen när han sköt bred och sedan Ryan Taylors huvud hittade sidonätet.
Men öppnaren var en komplett gåva då Aron Gunnarssons felplacerade pass djupt i sin egen hälft avslöjade Cardiffförsvaret.
Adomah penetrerade innan hans skärning hittade Pearson, som böjde bollen in i nedre vänstra hörnet från just innanför straffområdet.
Den enastående Jonathan Stead var nästa arkitekt då mer slarvig Cardiff-pjäs ledde till hemmasidans andra på halvtid.
Den rangy strejkern använde sin ram för att skydda bollen och den on-rusande Woolford passerade bollen förbi Cardiff målvakt David Marshall.
Mackay svarade på sin sidas lanklustre show genom att ersätta Gunnarsson med Mason, och förändringen bar omedelbar utdelning som substitutet fann utrymme i en fullsatt sex-yards box för att åka hem efter Peter Whittinghams hörn.
Bluebirds, tillbaka i sina mer bekanta blå skjortor, omedelbart hittat mer syfte och energi, med Masons direkta körning äntligen testa hem försvararna.
Whittingham, vars långa ansträngningar var hela Cardiff lyckades under första halvan, gick nära med en annan skott efter Smith hade brutit igenom.
Men Robins svarade på varningsskyltarna med en lärobokskontraattack för att få sin tredje.
Cardiffs försvar, som inkluderade debutanten Matthew Connolly i Ben Turners frånvaro med skada, slets sönder i mitten och Woolford hade en enkel uppgift att göra mål efter att Baldocks skott återhämtat sig från posten.
Helguson, poäng hans första liga mål sedan gå Cardiff från Queens Park Rangers, säkerställde en spänd sista minuter när han slitsade genom Tom Heatons ben.
Men hem nerverna lugnades fem minuter senare när Baldock, en 64-minuters substitut, säkerställde en scoring debut när han slog Marshall efter att ha spelats genom hjärtat av det statiska Cardiff försvar.
Bristol City manager Derek McInnes:
"Vi får mål från mitten av parken, vilket vi inte gjorde förra säsongen och nu har några bra alternativ på framsidan.
"Med Sam [Baldock] och Steve [Davies] ombord, har vi en hel del olika strejkare, som utgör hot på olika sätt. Alla klubbar jag har varit på, som var framgångsrika, hade god styrka i djupet när det gällde strejkande.
"Det är mycket tidiga dagar, men efter förra säsongen är jag glad att vara utmanande i rätt ände av bordet även i detta skede av kampanjen."
Cardiff City manager Malky Mackay:
"Utan att ta något ifrån Bristols prestation, vi medgav några dåliga mål.
"Vi gav bort bollen i fattiga områden, som inte är som vi. Vi började säsongen defensivt stark, men idag höll vi inte den standarden.
"Om du ger innehav till bra lag kommer de att straffa dig. Vi kommer att titta på DVD:n och identifiera var vi kunde ha gjort mycket bättre ifrån oss."
Kommentarer till direkttext
Bristol City klättrade kort till toppen av Championship tabellen genom att avsluta Cardiff City oslagbara start.