Kaisermühlen liegt im Westen des Bezirks Donaustadt. Im Südwesten grenzt es entlang der Donau an den 2. Bezirk Leopoldstadt, im Nordwesten entlang der Donauturmstraße an den Floridsdorfer Bezirksteil Donaufeld. Entlang der Oberen und Unteren Alten Donau verläuft die Grenze zu Donaufeld und den beiden Donaustädter Bezirksteilen Kagran und Stadlau. Die Katastralgemeinde Kaisermühlen erstreckt sich über ein Gebiet von 558,4 ha, wovon 20,45 ha im Gebiet des Gemeindebezirks Floridsdorf liegen. Dabei handelt es sich großteils um Wasserfläche der Alten Donau sowie um Verkehrsflächen im Bereich des Autobahnknotens Donaupark.
Das 1674 erstmals urkundlich erwähnte Kaisermühlen (damals noch lautend auf „Hof- und Kaisermühlen“) gehörte ursprünglich zu Stadlau. Der Name bezieht sich auf die damals dort ansässigen Mühlenbesitzer und Schiffer, deren Schiffmühlen sich am Kaiserwasser, einem Arm des damaligen Donauverlaufs, befanden. Auch auf dem Wappen Kaisermühlens ist eine Schiffmühle abgebildet.
Kaisermühlen befand sich bis 1875 am rechten Ufer des Hauptarmes der damals noch unregulierten Donau. Hier wohnten vor allem die Betreiber der namensgebenden Schiffmühlen, aber auch Flößer und Fischer. 1830 wurde im Bereich des heutigen Gänsehäufels eine Dampfschiffstation errichtet, wodurch Kaisermühlen an wirtschaftlicher Bedeutung gewann. Bei der Eingemeindung im Jahr 1850 wurde Kaisermühlen aufgrund seiner Lage ein Teil des neuen 2. Wiener Gemeindebezirkes Leopoldstadt.
Nach der Donauregulierung von 1870 bis 1875 befand sich Kaisermühlen am linken Ufer der Donau. Die Schiffmühlen ließen sich an der stehenden Alten Donau (dem früheren Hauptarm) nicht mehr betreiben, außerdem waren sie im Zuge der Industriellen Revolution zunehmend bedeutungslos geworden. Sie verschwanden daher bald. Die Dampfschiffstation musste an das stadtseitige Ufer des neuen Hauptstromes verlegt werden, wodurch für Gastronomen und Fuhrwerker in Kaisermühlen eine wichtige Einnahmequelle wegfiel. Das Ortsgebiet wurde zum Teil rasterförmig mit „Zinskasernen“ (Mietwohnhäusern mit geringem Standard) verbaut, einige Flächen wurden Industriebetrieben gewidmet.
1898 nahm die Straßenbahn in der Wagramer Straße und über die Reichsbrücke den Betrieb auf; der Rand Kaisermühlens war damit an den öffentlichen Verkehr angebunden. 1899 wurde durch die Schüttaustraße bis zum Schüttauplatz gefahren, wo sich unweit der Brücke zum Gänsehäufel bis 1982 die Straßenbahnendstation befand. Zumeist konnte man von Kaisermühlen ohne umzusteigen zum Praterstern fahren, viele Jahre lang bis zum Franz-Josefs-Kai am Donaukanal und zur Ringstraße.
In der Zwischenkriegszeit entstanden große Gemeindebauten, unter anderen der Goethehof, der einer der wichtigsten Schauplätze der Februarkämpfe 1934 war und sogar durch Brumowski aus der Luft angegriffen wurde. Nach dem Anschluss 1938 wurde Kaisermühlen im neuen Groß-Wien, das durch zahlreiche Eingemeindungen auch am linken Donauufer entstand, zum 21. Bezirk, Floridsdorf, transferiert. Seit 1954 bildet Kaisermühlen mit sieben weiteren ehemaligen Gemeinden den (gegenüber der NS-Zeit verkleinerten) 22. Bezirk, Donaustadt.
Am 3. September 1982 wurde an der Wagramer Straße die U-Bahn-Station Kaisermühlen eröffnet; der Ortskern wird seither von dort aus von Linienautobussen bedient.
Die Reichsbrücke ist nach wie vor die wichtigste Verbindung Kaisermühlens mit dem Stadtzentrum. Sie entstand von 1872 bis 1876 als „Kronprinz Rudolf Brücke“ im Zuge der Donauregulierung, wurde 1937 neu gebaut und nach ihrem Einsturz am 1. August 1976 im Jahr 1980 abermals neu errichtet. Die Brücke verbindet nicht nur die beiden Donauufer, sondern erstreckt sich auch über das frühere Überschwemmungsgebiet, auf dem sich heute die in den 1970er bis 1980er Jahren ausgehobene Neue Donau und die dabei entstandene Donauinsel befinden. Zum 25-jährigen Bestehen der heutigen Reichsbrücke wurde diese im Jahr 2005 einer gründlichen Renovierung unterzogen.
Weitere Brücken in Kaisermühlen sind unter anderem die Kagraner Brücke und die parallel verlaufende U-Bahn-Brücke über die Alte Donau sowie die Ponte Cagrana und die Kaisermühlenbrücke über die Neue Donau.
Von internationaler Bedeutung ist das umgangssprachlich „UNO-City“ genannte und 1979 errichtete Vienna International Centre mit dem angrenzenden Austria Center Vienna am Rande des Donauparks. Gleich daneben befindet sich das moderne Büro- und Wohnviertel Donau City, das mit der U-Bahn-Linie U1 der Wiener Linien durch die U-Bahn-Station Kaisermühlen – Vienna International Centre erschlossen ist.
Die für ihre auffällige Architektur bekannte Donaucitykirche befindet sich am Areal der Donau City. Am Schüttauplatz befindet sich die Pfarrkirche Kaisermühlen, die Herz-Jesu Basilika. Die Säulen der byzantinischen Basilika stammen aus dem Wiener Ringtheater, das am 8. Dezember 1881 abgebrannt ist. Der modern und schnörkellos gestaltete Glockenturm wurde erst 1957 neben die Kirche gebaut. Beide Kirchen werden von der römisch-katholischen Ordensgemeinschaft der Salvatorianer betreut, die hier auch ein Hospiz betreiben. Pfarrer in Kaisermühlen ist seit 1. September 2008 Pater Martin Bauer. Die Donaucitykirche ist eine Rektoratskirche der Pfarre Kaisermühlen, verantwortlicher Rektor ist Pater Albert Gabriel.
Auf dem Areal des heutigen Donauparks befand sich bis 1960 eine städtische Mülldeponie, das Gelände wurde anschließend saniert und war 1964 Schauplatz der Wiener Internationalen Gartenbauausstellung, im Zuge derer auch der Donauturm errichtet wurde, der heute das höchste Bauwerk Österreichs ist.
In dem 1904 nach Entwürfen von Wilhelm Schimitzek und Franz Anderle errichteten, denkmalgeschützten Schulgebäude an der Schüttaustraße ist die Volksschule Kaisermühlen untergebracht. Im Südosten von Kaisermühlen befindet sich der im August 1996 eröffnete Campus der Webster University Vienna, in dessen Innenhof der – von außen nicht mehr sichtbare – Backstein-Schornstein einer an diesem Standort ursprünglich bestandenen Fabrik als Industriedenkmal erhalten geblieben ist. Die drei 14-stöckigen Hochhäuser am mittlerweile überplatteten Kaisermühlendamm sind Teil des Marshallhofs und wurden in den 1950er Jahren nach Plänen des Architekten Hermann Stiegholzer errichtet. Im Nordwesten der Donau City befindet sich seit 2001 die Feuerwache Kaisermühlen, sowie ein Stützpunkt des Arbeiter-Samariter-Bundes.
Obwohl der Bezirksteil Kaisermühlen auch den Donaupark, die Donaucity und einen Teil der Donauinsel umfasst, wird im allgemeinen Sprachgebrauch mit Kaisermühlen meist die Wohngegend zwischen Am Kaisermühlendamm, Wagramer Straße und den Nebenarmen der Alten Donau gemeint.
Auf der von der Alten Donau und ihren Nebenarmen umschlossenen Insel Gänsehäufel befindet sich das gleichnamige Strandbad, das über eine Brücke erreichbar ist. Zwar nutzen viele Wiener seit den 1980er Jahren die Möglichkeit, gratis entlang den Ufern der Donauinsel ihrem Badevergnügen nachzugehen, dennoch zählt das Strandbad Gänsehäufel auch heute noch zu den meistbesuchten Sommerbädern Wiens. Daher erlebt Kaisermühlen an den heißen Tagen des Jahres einen regelrechten Gänsehäufel-Tourismus, bei dem die Linienbusse, die unter anderem die Strecke zwischen der U-Bahn-Station Kaisermühlen und dem dem Gänsehäufel-Eingang nahe liegenden Schüttauplatz befahren, an die Grenzen ihrer Kapazitäten stoßen.
Ernst Hinterberger hat mit seiner Fernsehserie Kaisermühlen-Blues, die in einem Kaisermühlner Gemeindebau sowie an anderen Schauplätzen in diesem Grätzl spielt, dem Bezirksteil ein Denkmal gesetzt. Auch eine Folge der Serie Alltagsgeschichte von Elizabeth T. Spira widmete sich den Bewohnern Kaisermühlens.
