Son ouïe est particulièrement sensible dans les hautes fréquences : il perçoit des ultrasons jusqu’à 50 000 Hz alors que l’oreille humaine est limitée à 15 000 Hz. Son pavillon en cornet peut être orienté grâce à vingt-sept muscles, ce qui lui permet de pivoter chaque oreille indépendamment pour localiser avec précision la source d’un bruit et sa distance.
La surdité des chats blancs fait aujourd’hui débat. De 60 à 80 % des chats blancs aux yeux bleus sont sourds. Cette surdité serait liée à la couleur blanche (gène "W"). Schématiquement, on peut dire que tous les chats blancs sont génétiquement sourds en général. Cette anomalie, bien que présente au niveau génétique, ne s’exprime pas systématiquement chez tous les chats. Ainsi, soit la tare reste cachée et l’oreille se développe normalement, soit la tare se manifeste et dans ce cas la dégénérescence est complète : le chat est totalement sourd de l’oreille atteinte. Sachant qu’un chat a deux oreilles et que l’anomalie n’affecte pas toujours les deux oreilles de la même manière, trois cas se présentent : la surdité est bilatérale, unilatérale ou absente.
Il est en effet démontré que l’allèle W, à l’origine de la couleur « blanc dominant », est directement responsable d’une dégénérescence de l’oreille interne, occasionnant la surdité. Le chaton naît normal mais vers l’âge d’une semaine, son oreille interne, au lieu de continuer à se développer subit des altérations progressives. La dégénérescence est généralement complète à trois semaines.

La vue est son sens primordial. Son champ de vision est plus étendu que celui des humains : 187° contre 125°, ce qui reste cependant loin du record absolu du monde animal.
L’intensité lumineuse influence la forme de la pupille : allongée en fente étroite en pleine lumière, elle se dilate en un cercle parfait à la pénombre. Contrairement à une idée répandue, il est incapable de voir dans le noir complet. Il est toutefois beaucoup plus performant que l’œil humain dans la pénombre. La nuit, l’aspect brillant des yeux est dû à une couche de cellules de la rétine appelée tapetum lucidum, qui agit comme un miroir et renvoie la lumière perçue, ce qui la fait passer une seconde fois dans la rétine et multiplie ainsi par deux son acuité visuelle dans l’obscurité.
En revanche, il semblerait (cela est encore discuté) que le chat ne perçoive pas la couleur rouge et que, d’une manière générale, il distingue très mal les détails. Sa vision est granuleuse sur les images fixes tandis qu’un objet en mouvement lui apparaît plus nettement (par exemple une proie en mouvement).
Une particularité de l’œil du chat est qu’outre les paupières inférieure et supérieure, il est protégé par une troisième paupière, la membrane nictitante. Celle-ci se ferme à partir du bord inférieur du coin interne de l’œil vers l’extérieur. Quand elle ne se referme pas complètement, c’est souvent le signe d’un problème de santé chez le chat (troubles digestifs, parasitisme le plus souvent ou entérite). Les chats peuvent avoir les yeux de différentes couleurs comme bleus, verts, jaunes, marrons…

L’odorat a une grande importance dans la vie sociale du félin pour délimiter son territoire. Par ailleurs, c’est son odorat développé qui lui permet de détecter la nourriture avariée et empoisonnée. Il possède deux cents millions de terminaux olfactifs, contre cinq millions pour l’homme.

Le sens du goût est développé chez le chat, moins que chez l’homme cependant : chez le chat adulte, on compte 250 papilles comptant 40 à 40 000 bourgeons gustatifs. Contrairement au chien, le sens gustatif du chat est localisé à l’extrémité de la langue, ce qui lui permet de goûter sans avaler. Il est sensible à l’amer, à l’acide et au salé, mais non au sucré.