猫科动物分为猎豹亚科、猫亚科、豹亚科，共有14属40种。大型猫科动物包括老虎、狮子、美洲虎和美洲豹。猫属有野猫、荒漠猫、丛林猫、沙猫、黑足猫。猞猁属有猞猁、西班牙猞猁。其他有豹猫属：豹猫、扁头豹猫、锈斑豹猫、渔猫。豹属有雪豹。还有一种非常个性的猫科动物，猞猁，耳朵上有两竖毛，比较好辨认。
通过化石研究得到最古老的真正猫科动物（始猫）生存在始新世的时期。在始新世时，它演化出了假猫。假猫被认为是现存的两个亚科和已灭绝的剑齿虎亚科的共同祖先。较以马刀齿猫为知的这一群动物于更新世后期开始灭绝，其包括了剑齿虎、短剑剑齿虎、恐猫和似剑齿虎。
第一种的猫科动物出现在大约三千万年前的渐新世，人们更熟悉的家猫和人类开始有关连则是在千年之前。真正的猫科诞生后向着两个方向发展，一支上犬齿逐渐延长，另一支犬齿趋于变小而身体比较灵活。上犬齿逐渐延长的这一支被归入剑齿虎亚科（Machairodontinae），其中以晚期的剑齿虎（Smilodon）为代表。
剑齿虎大概是所有史前哺乳动物中最引人注目的，体型巨大，上犬齿特别发达，可能以厚皮动物为食，并随着厚皮动物的减少而消失。已知的36种猫科动物，它们都源自一千八百万年前的一个共同的祖先。这些物种源自于亚洲，且经由陆桥散布至各洲去。
猫科动物多数善攀缘及跳跃。大多喜独居。肉食，常以伏击方式捕杀其他温血动物。分布于欧亚大陆、非洲、美洲的寒带到热带地区，由野猫驯化来的家猫已被人为带到全世界，很多成为当地入侵物种。