Historia ewolucyjna kotów sięga końca eocenu. Wywodzą się prawdopodobnie z jednej z gałęzi łaszowatych (Viverridae). Do dziś niektórzy przedstawiciele tej rodziny, jak np. żenety lub fossa, wykazują wiele cech wspólnych z kotowatymi. Może to być przykład konwergencji ewolucyjnej lub też spadek po wspólnym przodku. Pierwsze prawdziwe kotowate pojawiły się w oligocenie. Najstarszy opisany kot to pochodzący z oligocenuProailurus lemanensis odkryty w Europie. Był to niewielki drapieżnik, prowadzący tryb życia prawdopodobnie zbliżony do dzisiejszego margaja. Wiele czasu spędzał na drzewach, gdzie zdobywał pokarm i ukrywał się przed większymi drapieżnikami. Od późniejszych kotowatych różni się wyraźnie częściowo stopochodnymi łapami tylnymi, dłuższym pyskiem i większą ilością zębów policzkowych. Następnym kotem był Pseudaelurus, który zróżnicował się na co najmniej kilkanaście gatunków i prawdopodobnie dał początek wszystkim późniejszym gałęziom kotowatych. Pseudaelurus dał początek dwóm najważniejszym grupom kotowatych, szablastozębnym machajrodontom (Machairodontinae) oraz stożkozębnym felininom (Felinae). Wśród tych ostatnich wyodrębniła się potem jeszcze jedna gałąź – panterininy (Pantheriinae), do których zalicza się potocznie duże kotowate.
Badania genetyczne wykazały, że ostatni wspólny przodek żyjących dziś gatunków kotów żył około 10,8 miliona lat temu. Rodzaj ten rozprzestrzenił się z Europy na tereny Azji, Ameryki Północnej i prawdopodobnie Afryki. Podrodzina Pantherinae wyodrębniła się około 6,4 miliona lat temu z kolei rodzaj Panthera pojawił się około 3,8 miliona lat temu. Aż 60% dzisiejszych gatunków kotowatych wyodrębniło się w ciągu ostatniego miliona lat.