世界各地广泛分布的猫科动物，不论它们相隔多么遥远，但是他们在从头到脚在外貌上是一致的，真可谓是一个相当类似的庞大的大家族，因此猫科动物的特征是形态相似，分布广泛。
如果把猫科动物的头和身体的其他部位做比较的话，那么其头部明显稍微大一点。这是由于鼻子和下颌比较短小，和其他动物比起来，它的脸看起来较平，这样一来不仅它们的头显得大了，而且它们的耳朵显得大而引人注目。
猫科动物的耳朵从根部往上逐渐减小，耳尖或圆或尖，并向上直立。猫科动物有敏锐的听力，能听到人类很多听不到的声音。而当声音传来时它们通常会将头转到声音来源的方向，这有助于练习听觉和视觉。和人一样，猫科动物的内耳由骨性的、充满淋巴液的半圆型通道构成。它在活动中通过复杂的机制来维持身体的平衡，并通过这种机制而不是尾巴使得它们在下落时安然落地。所以猫科动物的尾巴并不是有助于其平衡的“降落伞”。
在所有动物中，猫科动物的眼睛尤为独特。它们的眼睛大而突出，位于头部的正前方，并和人类的眼睛一样，面向前方。除了猫头鹰和猿以外，猫科动物比其他动物更接近人类的双目视野。猫科动物的视角很宽阔，也是彩色视觉。在不同的光线下，它们眼睛的瞳孔可以迅速变换大小，但在全黑的环境中它们依然无法看见物体。在昏暗的光线中，它们的视力比大多数动物都要好。这便是猫科动物的眼睛优势。当光线明亮的时候，猫科动物眼睛的瞳孔可缩小成狭窄垂直的缝或很小的瞳孔，但当光线变暗，这些细缝或小瞳孔会扩大以保证有最大量的光线的射入。它们的眼睛看起来好像能在黑暗中发光，实际上那只是在反射外来光源的光。由此可知，当光线全无的时候，这种“光”便不复存在了。完全符合但丁的诗句：“黑夜给了我黑色的眼睛，我们用它来寻找光明。”
猫科动物鼻尖上的皮一般是黑色、红色，或是粉色的，它们通常冰凉而潮湿。所有的猫科动物都有灵敏的嗅觉，可以在令人吃惊的距离上嗅出猎物或它们喜爱的食物。
猫科动物的胡须或触须是精密的触觉器官，在它们的鼻子两侧、眼睛的上方、面颊以及前脚的背面都有胡须或触须。如果剃除了须子，不仅会影响它们的外貌，而且会削弱它们的感觉能力。在民间关于养育的家猫存在着这样的说法，如果剃除了它们的胡须，那么在不久之后由于身体的某种机能的丧失，猫会很快死去。
猫科动物的牙齿不仅用来攻击敌人，同时也是用来撕咬食物的利器。猫科动物的牙齿有30颗，其中4颗锐利的弯曲犬齿最为锋利。因而猫科动物得以依靠这样的牙齿抓握并撕裂它们的食物或敌人。小一些的门牙主要用来辅助撕咬，而它们的侧牙比大多数哺乳动物都要少。大多数哺乳动物的侧牙是用来磨碎食物的，而猫科动物则只用它们来切断食物。
猫科动物的舌头很粗糙。家猫的舌头就像粗糙的砂纸。而体型较大的野生猫科动物，比如老虎和狮子，则更粗糙。它们的舌头上布满了满是倒钩的舌突，方便它们从猎物的骨头上剥肉。当然所有的猫科动物也都把它们的舌头当作主要的清洁工具，来梳洗它们漂亮的毛发。所以说猫科动物是比较喜欢清洁的物种类型。
猫科动物的颌部虽短却非常强大，能够夹紧猎物并有足够的力量将其骨头压碎。有趣的是由于上下颌依靠关节相连，使颌部只能上下运动而无法左右移动，因此猫科动物也无法磨牙。当猫科动物合紧它们的颌部，牙齿就相互契合在一起，如同相互咬合的齿轮。因此猫科动物只能撕裂或压碎它们的食物，却无法咀嚼。因而许多食物被囫囵吞下，最后依靠胃液来消化。
腿部强健的肌肉可以使猫科动物迅即产生力量扑向猎物，或在它们追捕猎物时产生巨大的爆发力。当它们突然奔跑、攀爬或跳跃的时候，后腿的膝盖和脚跟弯曲，提供了巨大力量。它们的前腿也同样有力，而且极其灵活，能在追捕过程中离猎物一定距离时伸开前肢，抓捕猎物的身体并将其牢牢抓住。可以看出大自然给猫科动物造就了善于捕猎的本领。
猫科动物的前爪有5个脚趾，后爪则有4个。它们的前爪同时还是防御和狩猎时强有力的武器，这在攀爬或站在摇摇晃晃的树干上时，也成了最佳工具。它们的每个脚趾都长有利爪，这些利爪是从脚趾的最后一块骨头长出来的，呈钩型。为了确保这些利爪在行进当中保持锋利且不被折断，并能让它们的步伐悄无声息，它们的利爪在大部分时间里都收于脚掌之下。猫科动物也常常通过在粗糙表面抓挠或用牙咬来使这些利爪保持锐利。不过像猎豹却是不能完全收回利爪的猫科动物，它的爪子类似犬科动物那样，由于爪子钝，弯度比较小，所以始终暴露在外面。