Cafodd y Pwyllgor Materion Allanol a Deddfwriaeth Ychwanegol ei sefydlu yn dilyn y refferendwm ar aelodaeth yr Undeb Ewropeaidd, i ystyried y goblygiadau ac amddiffyn buddiannau Cymru.
Daw'r adroddiad wedi i'r pwyllgor gasglu barn arbenigwyr mewn seminarau a chyflwyniadau ysgrifenedig am y chwe mis diwethaf.
Dywedodd cadeirydd y pwyllgor, David Rees bod gadael yr UE yn "codi materion eang a chymhleth i Gymru".
Mae'r adroddiad yn dweud y byddai gosod rhwystrau wrth fasnachu gyda'r UE yn "peri risgiau sylweddol i economi Cymru".
Mae'r Prif Weinidog Theresa May wedi cyhoeddi y bydd y DU yn rhoi'r gorau i fod yn aelod o farchnad sengl yr Undeb Ewropeaidd.
Yn ôl yr adroddiad, mae'r ffaith fod sectorau gweithgynhyrchu ac amaeth yn fwy amlwg yng Nghymru nac yng ngweddill y DU yn "cynyddu pa mor fregus yw economi Cymru" pe byddai rhwystrau masnach.
Mae'r pwyllgor yn galw am ganolbwyntio ar drefniadau trosiannol i leihau'r effaith y bydd gadael yr UE yn ei gael ar Gymru.
Mae'r adroddiad hefyd yn galw ar i Lywodraeth Cymru a'r Cynulliad chwarae "rôl uniongyrchol wrth ddatblygu sefyllfa drafod y DU pan mae'n ymwneud â phwerau datganoledig neu'n effeithio ar y pwerau hynny".
Dywedodd cadeirydd y pwyllgor, David Rees: "Os oedd unrhyw amheuon i ddechrau, mae'r dystiolaeth rydym wedi'i chasglu yn cadarnhau bod Brexit yn codi materion eang a chymhleth i Gymru.
"Mae'n torri ar draws nifer o feysydd polisi, yn ogystal â chodi cwestiynau cyfansoddiadol sylfaenol ynghylch datganoli a'r ddeinameg pŵer rhwng Llywodraeth y DU, Senedd y DU a'r gweinyddiaethau a deddfwrfeydd datganoledig."
Ychwanegodd: "Roedd y mwyafrif helaeth o'r dystiolaeth a ddaeth i law yn dangos bod sicrhau mynediad rhydd at y Farchnad Sengl, heb dariffau a rhwystrau di-dariff, yn hanfodol bwysig i economi Cymru."
Mae pwyllgor y Cynulliad sy'n gyfrifol am ystyried goblygiadau Brexit ar Gymru wedi cyhoeddi ei adroddiad cyntaf, gan ddweud ei fod yn "peri risgiau sylweddol" i economi'r wlad.