สมองของแมวแม้ว่าจะมีขนาดเล็กกว่าของมนุษย์ แต่ก็มีกลีบสมองส่วนหน้า ขมับ และท้ายทอยเหมือนกันกับสมองของมนุษย์ทั่วไป

ในการทดสอบการหาอาหาร ความจำระยะสั้นของแมวกินเวลา 16 ชั่วโมง เทียบกับ 5 นาทีสำหรับสุนัข แมวมีความจำระยะยาวที่ดีกว่า แม้ว่าแมวจะล็อคภาพคนหรือสถานที่ไว้เพียงบางส่วนในความทรงจำระยะยาว แต่มันก็สามารถจดจำพวกเขาได้นานหลายปี

ในช่วงชีวิตของแมว อายุที่เปราะบางที่สุดคืออายุระหว่าง 2 ถึง 7 สัปดาห์ หากแมวจรจัดไม่มีปฏิสัมพันธ์กับมนุษย์ในช่วงเวลานี้ มันอาจไม่เคยไว้ใจมนุษย์เลย นอกจากนี้ยังเป็นช่วงเวลาทองสำหรับแมวบ้านที่จะเรียนรู้ที่จะไว้วางใจและพึ่งพามนุษย์ นักพฤติกรรมสัตว์พบว่าสมองของแมวมีระบบจัดเก็บหน่วยความจำสองระบบ ระบบหนึ่งคือหน่วยความจำเชื่อมโยง และอีกระบบหนึ่งคือหน่วยความจำจริง

1. หน่วยความจำเชื่อมโยง แมวเชื่อมโยงกิจกรรมเฉพาะกับการเผชิญหน้าในชีวิตจริง เช่น วิ่งข้ามทุกครั้งที่ได้ยินเสียงเปิดกระป๋อง เพราะแมวเชื่อมโยงเสียงกับกระป๋อง และกิจกรรมเหล่านี้สัมพันธ์กับความทรงจำเชิงบวก เช่น การพบสัตวแพทย์ ที่อธิบายได้ว่าทำไมทุกครั้งที่เจ้าของเอากระเป๋าแมวออก แมวจะวิ่งหนีหรือซ่อน เพราะแมวจำได้ว่าครั้งสุดท้ายเมื่ออยู่ในกระเป๋า แมวก็ถูกนำส่งโรงพยาบาล

2. ความทรงจำที่แท้จริง ความจำระยะสั้นและระยะยาว สิ่งเหล่านี้คือประสบการณ์และความรู้สึกที่เก็บอยู่ในศูนย์ความจำของสมองแมว ความจำระยะสั้นในแมวอาจนานถึง 16 ชั่วโมง ความจำระยะยาวนั้นกำหนดได้ยากกว่า และแมวจะจดจำมนุษย์หรือเพื่อนที่พวกมันมีความสัมพันธ์พิเศษด้วย อีกหนึ่งอาการของความจำระยะยาวของแมวคือแมวจะเศร้าเมื่อเจ้าของหรือเพื่อนจากไปหรือเสียชีวิตกะทันหัน โดยปกติแล้วมันจะหยุดใช้กระบะทรายหรือหยุดกิน แต่เมื่อแมวอายุมากขึ้น ความจำของพวกมันก็ลดลงเช่นกัน

ขณะนี้ยังไม่มีคำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามเกี่ยวกับความจำของแมว โดยทั่วไปแล้ว แมวมีความรักต่อบ้านอย่างมากและมีความสามารถในการจดจำบ้านได้ แมวที่ถูกเลี้ยงและได้รับอนุญาตให้เข้าและออกจากบ้านอย่างอิสระมักจะหาทางกลับบ้านได้ไม่ว่าพวกมันจะไปไกลแค่ไหนก็ตาม เนื่องจากแมวมีสมองที่พัฒนาค่อนข้างมาก ความฉลาดและความสามารถในการรับรู้ขั้นสูงของพวกมันจึงแข็งแกร่งเป็นพิเศษ

แมวทั่วไปมีความสามารถในการแยกแยะทิศทางได้สูง ดังนั้นหากคุณทำมันหาย มันยังสามารถมองหาทิศทางและกลับบ้านได้ ตราบใดที่คุณยังดีกับแมว แมวก็จะรับรู้ได้อย่างชัดเจน โดยปกติแล้วหากแมวจากเจ้าของไปยังสถานที่ที่ไม่คุ้นเคยเป็นเวลานานกว่าครึ่งเดือน ความทรงจำของแมวเกี่ยวกับเจ้าของเดิมจะน้อยลง มันไม่ใช่แค่การลดลงแต่กำลังลดลงไปเรื่อยๆ จุดประสงค์คือเพื่อปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมใหม่ได้ดีขึ้น

จากการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ในปัจจุบัน ไอคิวของแมวนั้นเทียบเท่ากับคนอายุ 2 ถึง 3 ขวบ และสามารถเรียนรู้ได้ผ่านการสังเกต ตัวอย่างเช่น มันสามารถเรียนรู้วิธีเปิดประตูโดยดูว่าคุณทำยังไง แม้ว่าการฝึกจะยากกว่า แต่แมวก็มีความจำระยะยาว นักวิทยาศาสตร์ได้ชี้ให้เห็นว่าสมองของสัตว์สร้างความทรงจำในลักษณะเดียวกับมนุษย์ ในขณะที่สมองของแมวก็ไม่ต่างจากมนุษย์อายุ 2 ถึง 3 ขวบ เมื่อเทียบกับแมวและสุนัข แมวมีความจำมากกว่าสุนัขถึง 200 เท่า

หากไม่มีการฝึกระยะยาว ความจำของสุนัขจะอยู่ได้ประมาณ 5 นาทีเท่านั้น แต่แมวจะจำได้นานถึง 16 ชั่วโมง แต่ถ้าต้องเผชิญกับสถานการณ์ที่เอื้ออำนวย เช่น ที่บ้าน ก่อนที่แมวจะถูกเลี้ยงให้เชื่อง พวกมันต้องอาศัยความทรงจำทั้งหมดเพื่อเอาชีวิตรอดในป่า การที่แมวจะเก่งในการล่าต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงในการเรียนรู้ ความอดทน การแก้ปัญหา และการสร้างกลยุทธ์การล่าที่เหมาะสม เพื่อให้แน่ใจว่าพวกมันกลับมาอย่างปลอดภัยหลังการล่าสัตว์ แมวจำเป็นต้องจดจำเส้นทาง กลิ่น เสียง และพื้นที่อันตรายต่างๆที่พวกมันผ่านไป