L'histoire paléontologique des Félidés commence dans les profondeurs de l'ère tertiaire, au milieu du Paléocène (60 millions d'années environ), époque à laquelle on rencontre un groupe de petits Carnivores de la taille de la Marte ou du Putois, les Miacides. Les débris de ces animaux abondent en particulier dans le couches éocènes désignées sous le nom de Phosphorites du Quercy (Lot-et-Garonne). Filhol, qui les avait étudiés d'une façon spéciale au XIX^e siècle, avait déjà pu suivre pas à pas toutes leurs transformations, qui ont porté surtout sur le raccourcissement du crâne et des mâchoires et sur la simplification du système dentaire qui en est la conséquence. C'est de ce groupe dont sont issus d'une part les Miacidés, dont descendent les caniformes actuels (ours, chiens, etc.) et d'autre part les féliformes, groupe auquel appartiennent les Félidés. Les Féliformes commencent  à s'individualiser il a un peu moins de 50 millions d'années et à produire les différentents souches dont procèdent les actuels Herpestidés, Hyénidés, Viverridés et  Félidés. C'est lors de cette diversification qui s'est opérée vers la fin de l'Eocène et à l'Oligocène qu'apparaît le Proailurus, vieux d'à peu près 30 millions d'années (milieu de l'Oligocène), considéré comme l'ancêtre de tous les Félidés.

Le Proailurus ressemblait à l'actuel Cryptoprocte de Madagascar (non pas un Félidé, mais un Eupléridé) qui occupe dans la forêt malgache la niche écologique qui est celle des Félidés dans les autres parties du monde. Comme le Cryptoprocte, le Proailurus était plantigrade et avait les mâchoires plus allongées que les véritables Chats. Sa denture ne diffèrait que par les détails de celle du Cryptoprocte actuel. On a décrit trois espèces (Proailurus Julieni, P. medius et P. lemanensis) de ce genre qui a vécu de l'Oligocène au Miocène, dans le Sud de la France. 

Le genre Pseudaelurus (Gervais) ne diffère du genre Proailurus, dont il est issu que par l'absence, à la tuberculeuse, d'un petit tubercule interne que possède Proailurus, et par la disparition de la tuberculeuse inférieure. Le Pseudoelurus intermedius forme d'ailleurs un passage aussi net que possible entre les deux genres. Le Pseudoelurus Edwardsii avait déjà fourni à Filhol des exemplaires en assez grand nombre pour donner la preuve que ce type avait varié, dans un laps de temps relativement court, de manière à passer de la denture plus compliquée des Cryptoproctes, ou de leurs ancêtres, à la denture beaucoup plus simple des Félidés, comme l'indiquent les formules suivantes :

Formules dentaires inférieures des Pseudaelurus :

1° Inc. 3 - Can. 1 - Prém. 4 - Carn. 1. - Tub. 1
2° Inc. 3 - Can. 1 - Prém. 4 - Carn. 1. - Tub. 0
3° Inc. 3 - Can. 1 - Prém. 3 - Carn. 1. - Tab. 0

Une dernière espèce de ce genre (Ps. hyaenoïdes Lartet) est du Miocène de Sansan. Le genre Ailurictis (Trt), ou Ailurogale Filhol, 1872 , s'écarte encore très peu des Pseudoelurus. La formule dentaire a varié dans les mêmes limites que celle de ces derniers, de façon à perdre une prémolaire et l'unique tuberculeuse; c'est ce que Filhol a démontré sur les débris d'Ailurictis intermedia. Une seconde espèce (Ail. sivalensis) est du Miocène supérieur de l'Inde, et l'Ailuropsis annectans est du même gisement.
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L'arbre généalogique des Félidés

Le Pseudaelurus, apparu il y a une vingtaine de millions d'années, est à l'origine des deux groupes : le premier donnera naissance aux Machairodontinés (tigres à dent de sabre), l'autre  aboutira aux Félidés actuels (Néofélidés), via le genre Schizailurus.

Dents de sabre.
La sous-famille des Machaerodinae (ou Machairodontinés ) ne se distingue des Néofélidés que par l'énorme développement des canines supérieures qui sont en forme de sabre. Elles dépassaient la mâchoire inférieure, dont le menton forme souvent une forte saillie inférieure. La disposition et les dimensions de ces canines sont telles que l'on doit supposer que ces puissants carnivores, tous de grande taille, s'en servaient la bouche fermée pour percer et déchirer la peau épaisse des pachydermes et faire de profondes blessures, ou pour arracher les pièces de la cuirasse des Glyptodontes, comme à l'aide d'un ciseau. Les ongles sont encore plus fortement rétractiles que ceux des chats actuels. Ces grands Félins étaient les plus redoutables Carnivores que l'on puisse imaginer, et leurs canines comme leurs griffes devaient faire des blessures presque toujours mortelles. 
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Crâne de Smilodon.

Les Machairodontes, ou Machairodontinés proprement dits comprennent les genres Machairodus, Paramachaerodus, Homothérium et Ischyrosmilus.  Les premiers représentants du genre Machaerodus se montrent dès le Miocène supérieur d'Europe : le Machaerodus cultridens, qui atteignait la taille du Lion, se trouve dans les couches Miocène supérieure et Pliocène inférieure de toute l'Europe. Le Machaerodus a vécu en France, en Angleterre et également en Inde (Mach. sivalensis et M. paloeindicus, du Pliocène des Siwaliks).

Les Smilodontinés ou Smilodontes diffèrent à peine des Machoerodontes : ils ont pour type une espèce de l'Amérique du Sud (Smilodon neogoea ou populator), qui exagère encore les caractères des Machaerodus de l'ancien continent; elle vivait à l'époque quaternaire avec les grands Edentés qui peuplaient alors ce pays, et qu'elle devait attaquer à l'aide de ses puissantes canines. Le Smilodon necator est une seconde espèce du Pléistocène de la Plata. Les Smilodon fatalis, qui ne s'est éteint qu'il y a une dizaine de milliers d'années, et Smilodon gracilis représentent le genre dans l'Amérique du Nord à la même époque.  Les Meganthereon, rangés aussi parmi les Smilodontes, se rencontrent dans les couches du Pliocène du Sud de la France. 

Les grands Tigres à canines en sabre disparaissent progressivement au Pléistocène (début du Quaternaire), en même temps que les grands Edentés, et les Pachydermes sont remplacés par des Herbivores et des Ruminants à peau moins épaisse, rendant inutile une arme d'ailleurs fort gênante par ses dimensions exagérées.
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Frères des chats? Les Nimravidés constituent un groupe disparu dont on a longtemps rangé les représentants parmi les Félidés, mais qui sont aujourd'hui considérés plutôt, dans le meilleur des cas, comme un groupe frère de celui des Félidés, et dont l'évolution aurait été parallèle, ou, plus certainement, comme un des groupes issus des Miocides originels dont ont dérivé les Caniformes et les Féliformes. Les ancêtres des Félidés et des Nimravidés se seraient séparés il y a environ 55 milions d'années (fin du Paléocène, début de l'Eocène) Ce groupe a des traits morphologiques rappellant ceux des Machairodontinés (tigres à dents de sabre), mais avec des canines moins longues et moins fortes. Une caractéristique qui, de fait, ne prouve rien. On la  retrouve aussi chez des groupes (aujourd'hui tous éteints)  très différents : chez les Hyaenondontidés (Créodontes) et même chez des Marsupiaux, les Thylacosmilidés. Quoi qu'il en soit, il est intéressant de dire ici quelques mots sur ces "pseudo-tigres à dent de sabre" dont on peut suivre le développement en Amérique du Nord à partir de la fin de l'Eocène (36 millions d'années). Le type y présente un grand développement dès le Miocène de l'Orégon, du Dakota et du Colorado. Le genre Nimravus (Cope) avait des canines supérieures remarquablement fortes et pointues, en forme de poignard, et qui devaient dépasser la lèvre inférieure quand la bouche était fermée.  - Crâne de Nimravus gomphodus. Le Nimravus gomphodus atteignait la taille des plus grands Couguars de l'époque actuelle, et devait être un animal redoutable. Le genre Dinictis (Leidy) possédait exactement la formule dentaire d'Ailurictis et les canines se recourbaient elles aussi en forme de sabre comme chez les Machaerodontinés : le Dinictis cyclops devait avoir la taille du Lynx du Canada. Deux autres espèces Dinictis felina et Dinictis. squalidens sont de la même époque.  Le genre Hoplophoneus (Cope) rappelle encore plus les Machoerodus et les véritables Félidés dont il a la formule dentaire : ces animaux étaient de taille moyenne (H. primaevus, H. orcodontis, H. cerebralis, H. strigidens). L'Hoplophoneus strigidens avait des canines à arête postérieure coupante comme une lame de couteau. Un dernier type européen (Eusmilus bidentatus), de l'Eocène du Quercy, se rattache aussi à cette sous-famille. Signalons enfin le genre Pogonodon (Cope), à la denture très similaire à celle du Smilodon, qui avait pour type P. platycopis, et devait égaler en dimensions les plus grands Jaguars américains, et le P. brachyops devait être plus redoutable encore.

Grand et petits chats.
La bifurcation à partir de laquelle s'individualise la souche des Félidés actuels (Néofélidés) remonte à environ 18 millions d'années. C'est à cette époque que vivait leur ancêtre à tous, le Schizailurus, dont semble-t-il est d'abord issue la branche des Pumas (8,5 millions d'années) et du Miracinonyx, ancêtre des Guépards, apparus, eux, il y a environ sept millions d'années. Vers le même moment, une autre lignée partant du Schizailurus avait donné naissance aux plus anciens Félinés. La souche commune aux Chats proprement dits  (Felis silvestris) et aux Chats viverrins (Prionailurus viverrina) remonte apparemment à 12 millions d'années; les ancêtres de nos Chats domestiques s'en séparent il y a environ six millions d'années. C'est également vers cette même époque qu'apparaît la branche des Panthères. Celles des Lynx semble être à peine plus ancienne (6,7 millions d'années).

Les Félidés des types que nous connaissons aujourd'hui se montrent donc à partir du Miocène, mais les grandes espèces (à canines normales) n'apparaissent pas avant le Pliocène supérieur ou même le Pléistocène, après l'effacement des Machaerodinés à canine scultriformes. Le genre Guépard (Acinonyx), actuellement propre à l'ancien continent, paraît avoir été représenté en Amérique par deux espèces (Acinonyx minutus des cavernes du Brésil et A. ferox du Pliocène des Etats-Unis) : l'Acinonyx  brachygnathus est du Pliocène de l'Inde où le Guépard vit encore. Les Félinés sont représentés dans le Miocène d'Europe par Felis attica, F. antediluvia; au Pliocène par Lynx brevirostris, Lynx issiodorensis, etc.; au Pléistocène par F. silvestris et F. caffra, auxquels ont peut ajouter Leptailurus serval,  vivant encore en Europe et dans le Nord de l'Afrique.  Les Felis exilis, F. pusilla, etc., sont des cavernes du Brésil. Tous ces types étaient de moyenne ou de petite taille comme les Felis actuels. Le Lynx se trouve dans les cavernes et les brèches de la France centrale et méridionale. On notera au passage que nulle part, en Europe, on ne trouve trace à l'état fossile d'un Chat domestique ou élevé en demi-domesticité. 

De grandes espèces du genre Uncia (léopard des neiges) ont vécu sur les deux continents à la fin du Pliocène et pendant le Pléistocène. En Europe, le Felis speloea, ou Lion des cavernes, est vraisemblablement identique au Lion qui vit encore en Afrique, et le Felis atrox (Leidy), de l'Amérique du Nord, était probablement aussi de la même espèce. Le Felis Edwardsia de Bourguignat, des cavernes de Belgique et du Sud de la France, se rapproche davantage du Tigre, dont le Felis cristata du Pliocène des monts Siwaliks semble l'ancêtre immédiat. Les F. augustus et F. imperialis de l'Amérique du Nord (Pliocène et Pleistocène) sont comparables au Jaguar, qui se trouve aussi dans les cavernes du Brésil. Des espèces comparables à la panthère sont les F. prisca, du Miocène d'Europe, et F. pardinensis du Pliocène de France. (E. Trouessart).