In de wiskunde is een Cayley-graaf een gerichte graaf die de structuur van een groep, meestal een eindige, in beeld brengt. De Cayley-graaf hangt af van een, meestal eindig, aantal voortbrengers van de groep.
De Engelse wiskundige Arthur Cayley maakte in 1878 als eerste gebruik van grafen om groepen aanschouwelijk voor te stellen. Dit idee werd door Max Dehn (1911), Otto Schreier (1927) en anderen verder ontwikkeld. Vanwege de grote bijdrage van Dehn wordt een Cayley-graaf ook wel met de door Dehn bedachte naam (Dehnse) groependiagram aangeduid.[1] Tegenwoordig zijn Cayley-grafen een belangrijk hulpmiddel in de meetkundige groepentheorie.