Big Sleep Hotel, en gång delägt av Hollywoodstjärnan John Malkovich, fick klagomål från gäster om blodfläckar på väggar, skräp på golv och orena badrum.
X-Ray hittade också smutsiga täcken, mögliga fönster och döda insekter.
Hotellet, som nu ägs av Compass Hospitality, har lovat att förbättras.
Big Sleep, mittemot Motorpoint Arena, hyllades som ett "designer budgethotell" när det öppnades av Malkovich 1999.
Men missnöjda kunder har talat med X-Ray om hur chockade de var av renlighet i rummen när de besökte.
Jan Jones, 58, från Porthcawl i Bridgend county, betalade 68 pund för att bo på hotellet efter en natt ute med vänner i januari.
Men hon sa att när hon gick till sitt rum, var det strött av skräp och sängen var ogjord.
"Jag trodde verkligen att det var ockuperat av någon eftersom det var bara en enda röra", sade hon.
"Det fanns tomma matbehållare där inne, det fanns tomma ölflaskor, madrassen var exponerad och den var fläckad.
"Toalettet var smutsigt smutsigt. Och lukten var hemsk eftersom det fanns gammal mat där inne. Det var bara chockerande."
En annan gäst, Lina Tsaltampasi från Thessaloniki, Grekland, som stannade i september, köpte rengöringsprodukter för att rengöra rummet själv.
Efter att ha talat med gästerna, BBC X-Ray laget bokade också ett rum på hotellet och presentatör Omar Hamdi hittade en trasig säng och en fläckad madrass och sängkläder.
"Varhelst jag tittade där var grimas", sade han.
"En blodfläck på väggen, hår på sängkläderna, tjockt damm på kjolbrädorna, och fläckar i inte en, men båda lådorna på sängbordet."
Big Sleep bad om ursäkt och sade att dess "förfall i kvalitet" var oacceptabelt.
Rådet sade att det vidtog åtgärder för att förbättra sin hushållning och ta itu med dålig förvaltning.
Det tillade att det var säker på att hotellet skulle omvandlas när dess nuvarande renovering var klar.
Hotellet har sagt att det kommer att återbetala alla kunder som finns på X-Ray.
Ett hotell i hjärtat av Cardiff har erkänt "oacceptabla" misslyckanden, efter en BBC Wales undersökning avslöjade smutsiga rum.