貓具有極敏感的神經系統，頭蓋骨和腦的形狀固定，為腦神經生理學研究的理想實驗動物。在電極探針插入大腦各部位的生理學研究方面已經標準化?？稍谇逍褩l件下研究神經遞質等活性物質的釋放和行為變化的相關性，如針刺麻醉、睡眠、體溫調節和條件反射。常在貓身上采用辣根過氧化物酶（HRP）反應方法來進行神經傳導通路的研究，同時可用HRP追蹤中樞神經系統之間的聯系和進行周圍神經系統與中樞神經系統聯系的研究。做去大腦僵直、姿勢反射、刺激交感神經時瞬膜及虹膜的反應實驗等。

貓可用腦室灌流研究藥物的作用部位及藥物如何通過血腦屏障。觀察用藥后呼吸，心血管系統的功能效應和藥物代謝過程對血壓的影響。貓血壓穩定，血管壁堅韌、心搏力強、便于手術操作；能描繪完好的血壓曲線，適合進行藥物對循環系統作用機制的分析，進行冠狀竇血流量的測定，以及阿托品解除毛果蕓香堿作用等實驗。還可通過瞬膜反射分析藥物對交感神經和節后神經節的影響，易于制備脊髓貓，排除中樞對血壓的影響。

可用于診斷炭疽病，進行阿米巴痢疾、淋巴細胞白血病、惡病質者血液的研究。貓是弓形蟲的終末宿主，是研究弓形蟲病的良好動物模型。貓可制備很多疾病的動物模型，如Kinefelters綜合征、先天性吡咯紫質沉著癥、白化病、耳聾癥、脊柱裂、病毒引起的營養不良、急性幼兒死亡綜合征、先天性心臟病、草酸尿、卟啉病等。貓作為弱視動物模型及高眼壓動物模型等方面具有不可替代的作用。由于貓的骨盆與人類骨盆結構相似，常用來建立人類骨盆的矯正模型。貓還可用于腺體瘤、鱗狀細胞癌、各種肉瘤、基底細胞瘤、脂肪瘤、纖維瘤、血管瘤、軟骨瘤及卵巢的種植性腫瘤等的研究。Jarrett于1964年在貓中發現了類似于人類白血病的貓白血病病毒（FeLV）。貓白血病病毒的疫苗已被許可應用并且多年來逐漸發展完善，這有助于人類白血病疾病模型的研究。1987年在Pedersen等人的研究中首次報道了貓T淋巴細胞慢病毒（FTLV）的發現，這種病毒與人類的HIV病毒相似。天然感染FTLV病毒的貓被用作研究人類艾滋病的有效抗病毒治療的模型，近FTLV疫苗的開發為HIV疫苗的開發提供了一種潛在的新模式。乳腺癌是女性常見的惡性腫瘤之一，乳腺癌在貓中也很常見，貓乳腺癌的許多特征類似于人類乳腺癌。

貓具有良好的視力、敏銳的聽覺和高度發達的平衡系統以及空間知覺。在視覺系統方面，David Hubel研究了貓視覺系統的發育和功能，發現了包括人類在內的所有哺乳動物都在出生時具有部分發育的視覺系統。他利用之前對幼貓神經系統的詳細研究的基礎上，發現大腦內的眼睛、視神經和視覺中樞的正常發育需要通過光刺激視覺神經元。這個發現于1981年獲得諾貝爾醫學獎。貓在定位聲音方面具有非凡的才能，因為貓在夜間進行大部分狩獵，那時它們的嚙齒動物獵物活躍，而因為夜間的視力有限，所以聽覺是貓對其獵物定位的主要感官提示。貓的聽覺系統與人類非常相似，能夠被用于研究大腦如何結合兩只耳朵的信息進行聲音定位，并與人類人工耳蝸植入的臨床研究相關。貓也具有良好的認知能力和記憶，并且經常用于學習能力相關的實驗室測試，其結果已經應用于人類教育實踐。