De hersenen van de kat bestaan, evenals die van andere zoogdieren, uit een aantal verdikkingen aan de bovenkant van een gesloten buis die van de kop naar de staart loopt: het ruggenmergkanaal (1).
Het gewicht van de hersenen zelf is 20 tot 30 gram. Ze zijn hierboven op 1½ keer ware grootte afgebeeld. De hersenen zijn hol, hebben met vlloeistof gevulde holtes - de ventrikels (2) - en zijn ter bescherming omgeven door een aantal vloeistofgedempte schokabsorberende vliezen en de schedel.
Het belangrijkste deel van de hersenen is het cerebrum of de grote hersenen, dat bestaat uit twee hersenhelften (3). Deze - in het bijzonder de sterk gegroefde hersenschors - beheersen alle aspecten van het bewuste gedrag.
Andere delen dienen als centrum voor het gezichtsvermogen (a), het gehoor (b) en de tastzin (c) en voor de beheersing van de lichaamsbewegingen (d). Het reukcentrum (e) is relatief groot bij de kat.
In het algemeen heeft de linkerhelft van de hersenen betrekking op de rechterhelft van het lichaam van de kat en omgekeerd. Ook herinneringen worden opgeslagen in deze hersenhelften.
Achter de hersenhelften ligt het cerebellum of kleine hersenen (4), dat zorgt voor de coördinatie van het evenwicht en de beweging; het cerebellum is bij de kat buitengewoon groot en goed ontwikkeld.
Het binnenste van de hersenen wordt gevormd door de hersenstam (5), die een voortzetting is van het ruggenmerg. De belangrijkste delen zijn onder meer de formatio reticularis (f), die tot taak heeft de hersenen wakker en waakzaam te houden (wordt uitgeschakeld tijdens de slaap) en de hypothalamus (g), die elementaire fucties als honger, angst, agressie, sexuele en moedergevoelns beheerst. Hier dichtbij, in verbinding met en onder controle van deze hypothalamus, bevindt zich de pijnappelklier (6), de "oppperklier" van het hormoonstelsel. Door afscheiding van hormonen van deze klier te regelen, beheerst de hypothalamus vele facetten van het gedrag van de kat.