เส้นทางคมนาคมและการเดินทางที่สำคัญของอำเภอเมืองอุดรธานี คือ

• ทางรถยนต์ ได้แก่ ทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 2 (ถนนมิตรภาพ) และทางหลวงแผ่นดินหมายเลข 22 จากอุดรธานีไปนครพนม
• ทางรถโดยสารประจำทาง ได้แก่ บริการรถโดยสารทั้งธรรมดาและรถปรับอากาศวิ่งระหว่างกรุงเทพฯ-อุดรธานีทุกวัน รถออกจากสถานีขนส่งสายตะวันออกเฉียงเหนือ (จตุจักร) ถนนกำแพงเพชร 2 นอกจากนี้ ยังมีรถโดยสารประจำทางไปจังหวัดอื่น ๆ อีกด้วย
• รถยนต์โดยสารระหว่างประเทศ มีสองเส้นทาง ได้แก่ สายอุดรธานี-นครหลวงเวียงจันทน์ และสายอุดรธานี-หนองคาย-วังเวียง
• ทางรถไฟ ได้แก่ สถานีรถไฟอุดรธานี มีขบวนรถด่วนพิเศษ รถด่วน และรถเร็ว กรุงเทพฯ–หนองคาย และขบวนรถท้องถิ่น นครราชสีมา–หนองคาย
• ทางอากาศ ได้แก่ ท่าอากาศยานนานาชาติอุดรธานี ซึ่งเป็นสนามบินหลักของภูมิภาคนี้และสามารถเดินทางไปยังประเทศลาวได้