猫科动物的起源可追溯至约3500万至4000万年前，最初类似于猎猫类（Nimravids）的原始物种。[38] 根据现有的化石证据，最早的猫科动物是原猫（Proailurus），它们大约在2500万至2000万年前生活在欧洲。原猫的后代分化为两支，其中一支演化为剑齿虎亚科（Machairodontinae），该亚科的所有物种已全部灭绝；另一支则演化为施泰尔猫（Styriofelis），后者进一步演化成现代猫科动物。[45] 猫科物种的进化历史伴随着快速的物种形成和灭绝速度，古老祖先与快速、近期物种形成相结合是猫科进化史的显著特点。[38]
根据分子证据，猫科物种至少可以分为三个主要亚科或谱系：家猫谱系、豹谱系和虎猫谱系。虎猫谱系，也称南美猫类，包含7个分布于南美和中美洲的斑纹小型猫类，其祖先大约在1000万至1200万年前与其他猫科谱系分歧，属于最早分歧的分支。家猫谱系包括7个物种，其中最为人熟知的是家猫（Felis catus），其祖先大约在800万至1000万年前与其他谱系分歧，起源于地中海盆地。豹谱系是这三大谱系中分歧时间最短（约在100万至800万年前），并且包含现存猫科物种最多的谱系，主要包括豹属（Panthera）及一些中等体型的猫类。[38]
猫科动物在演化过程中，甜味基因表达出现异常，使导致它们无法品尝到甜味，进化成纯肉食动物。[43] 该科是食肉目中肉食性最强的一科，也是该目中进化最为成功的一科。[38]
1917年，Pocock基于形态特征将猫科的37个物种划分为三个主要类群：第一类群由猞猁属（Lynx）和家猫属（Felis）的物种组成；第二类群包括猎豹（Acinonyx jubatus）和5种豹属物种；其余物种归入第三类群。随后，Weigel依据毛皮斑纹模式的变化对猫科物种进行分类，也划分为三个主要类群：第一类群包括兔狲（Felis manul）、薮猫（Leptailurus serval）和狞猫（Caracal serval）；第二类群不包括猎豹，但包含细腰猫（Puma yagouaroundi）、美洲狮（Puma concolor）和云豹（Neofelis nebulosa）；第三类群包括安第斯山猫（Leopardus jacobita）、南美草原猫（Leopardus pajeros）、虎猫（Leopardus tigrinus）、长尾虎猫（Leopardus wiedii）、乔氏猫（Leopardus geoffroyi）、小斑虎猫（Leopardus guigna）和南美林猫（Leopardus colocola）。[38]