猫具有极敏感的神经系统，头盖骨和脑的形状固定，为脑神经生理学研究的理想实验动物。在电极探针插入大脑各部位的生理学研究方面已经标准化。可在清醒条件下研究神经递质等活性物质的释放和行为变化的相关性，如针刺麻醉、睡眠、体温调节和条件反射。常在猫身上采用辣根过氧化物酶（HRP）反应方法来进行神经传导通路的研究，同时可用HRP追踪中枢神经系统之间的联系和进行周围神经系统与中枢神经系统联系的研究。做去大脑僵直、姿势反射、刺激交感神经时瞬膜及虹膜的反应实验等。

猫可用脑室灌流研究药物的作用部位及药物如何通过血脑屏障。观察用药后呼吸，心血管系统的功能效应和药物代谢过程对血压的影响。猫血压稳定，血管壁坚韧、心搏力强、便于手术操作；能描绘完好的血压曲线，适合进行药物对循环系统作用机制的分析，进行冠状窦血流量的测定，以及阿托品解除毛果芸香碱作用等实验。还可通过瞬膜反射分析药物对交感神经和节后神经节的影响，易于制备脊髓猫，排除中枢对血压的影响。

可用于诊断炭疽病，进行阿米巴痢疾、淋巴细胞白血病、恶病质者血液的研究。猫是弓形虫的终末宿主，是研究弓形虫病的良好动物模型。猫可制备很多疾病的动物模型，如Kinefelters综合征、先天性吡咯紫质沉着症、白化病、耳聋症、脊柱裂、病毒引起的营养不良、急性幼儿死亡综合征、先天性心脏病、草酸尿、卟啉病等。猫作为弱视动物模型及高眼压动物模型等方面具有不可替代的作用。由于猫的骨盆与人类骨盆结构相似，常用来建立人类骨盆的矫正模型。猫还可用于腺体瘤、鳞状细胞癌、各种肉瘤、基底细胞瘤、脂肪瘤、纤维瘤、血管瘤、软骨瘤及卵巢的种植性肿瘤等的研究。Jarrett于1964年在猫中发现了类似于人类白血病的猫白血病病毒（FeLV）。猫白血病病毒的疫苗已被许可应用并且多年来逐渐发展完善，这有助于人类白血病疾病模型的研究。1987年在Pedersen等人的研究中首次报道了猫T淋巴细胞慢病毒（FTLV）的发现，这种病毒与人类的HIV病毒相似。天然感染FTLV病毒的猫被用作研究人类艾滋病的有效抗病毒治疗的模型，近FTLV疫苗的开发为HIV疫苗的开发提供了一种潜在的新模式。乳腺癌是女性常见的恶性肿瘤之一，乳腺癌在猫中也很常见，猫乳腺癌的许多特征类似于人类乳腺癌。

猫具有良好的视力、敏锐的听觉和高度发达的平衡系统以及空间知觉。在视觉系统方面，David Hubel研究了猫视觉系统的发育和功能，发现了包括人类在内的所有哺乳动物都在出生时具有部分发育的视觉系统。他利用之前对幼猫神经系统的详细研究的基础上，发现大脑内的眼睛、视神经和视觉中枢的正常发育需要通过光刺激视觉神经元。这个发现于1981年获得诺贝尔医学奖。猫在定位声音方面具有非凡的才能，因为猫在夜间进行大部分狩猎，那时它们的啮齿动物猎物活跃，而因为夜间的视力有限，所以听觉是猫对其猎物定位的主要感官提示。猫的听觉系统与人类非常相似，能够被用于研究大脑如何结合两只耳朵的信息进行声音定位，并与人类人工耳蜗植入的临床研究相关。猫也具有良好的认知能力和记忆，并且经常用于学习能力相关的实验室测试，其结果已经应用于人类教育实践。