Dywedodd Ysgrifennydd yr Economi Ken Skates y bydd y cytundeb gyda Eastern Airways yn sicrhau na fyddai unrhyw amhariad ar y gwasanaeth.
Fe ddywedodd Citywing - oedd yn arfer rhedeg y gwasanaeth - fore Sadwrn y bydd yr hediadau yn dod i ben wedi i'r cwmni gael ei ddirwyn i ben.
Ond bydd pob tocyn oedd eisoes wedi'u prynu ar gyfer gwasanaeth Citywing nawr yn gymwys ar gyfer rhai Eastern Airways.
Dywedodd Mr Skates: "Rwy'n ddiolchgar i Eastern Airways, yr Awdurdod Hedfan Sifil, meysydd awyr Caerdydd ac Ynys Môn ac RAF Fali am eu cefnogaeth a'u help i sicrhau bod y newid rhwng darparwyr wedi digwydd mor sydyn."
Mae'r gwasanaeth yn hedfan rhwng Caerdydd a'r Fali ar Ynys Môn o ddydd Llun i ddydd Gwener.
Dywedodd cyfarwyddwyr Citywing fore Sadwrn eu bod wedi cymryd y penderfyniad i ddirwyn i ben wedi i'r cwmni oedd yn gweithredu'r teithiau, Van Air, gael ei hatal rhag hedfan am resymau diogelwch ddiwedd mis Chwefror.
Roedd Citywing hefyd yn rhedeg awyrennau rhwng Blackpool ac Ynys Manaw, ac o Faes Awyr Sir Gaerloyw.
Cafodd awyrennau Van Air - sydd wedi ei gofrestru yn y Weriniaeth Tsiec - eu hatal gan yr Awdurdod Hedfan Sifil ar 28 Chwefror yn dilyn digwyddiad ar Ynys Manaw yn ystod Storm Doris.
Fe wnaeth y cwmni Danaidd, North Flying, gamu i'r bwlch ar fyr rybudd, ond dywedodd Citywing eu bod wedi cael trafferth cynnal y gwasanaeth ers hynny.
Dywedodd Citywing yn eu datganiad fore Sadwrn bod y gwasanaeth "wedi profi'n anghynaladwy yn fasnachol".
Mae Llywodraeth Cymru wedi dod i gytundeb gyda chwmni newydd i gymryd rheolaeth o'r gwasanaeth awyr rhwng Caerdydd ac Ynys Môn.