被毛は品種により、さまざまな毛色や毛質のパターンを持つ。同品種でも多様な色彩や模様を持つ珍しい動物である。毛色や毛質の決定には遺伝子の働きに因るところが大きいことが分かっているが、遺伝子がどのように活性化、不活性化するかなど、不明な点も多い。毛色は子宮内の状態にも影響を受けるとも言われる。例えば、世界初のクローンネコ「CC」の毛色は、遺伝子が全く同じにもかかわらず、クローン親のものと異なっていることが知られている。
毛色を司る遺伝子は、すでにいくつか解明されており、色を薄めるダイリュート遺伝子や、被毛に縞模様を描くタビー遺伝子などの存在が知られている。品種によっては、突然変異体の遺伝子や、伴性遺伝子の存在もあることから、生まれてくる子猫の毛色・毛質等をおおよそ判定することは可能であるが、不明な部分も多い。
これらの遺伝子の組み合わせによって、複雑な模様を形作る。これら以外にも毛色を決定する遺伝子もあり、解明されていない遺伝子も多数存在する。
O遺伝子及び対立遺伝子o遺伝子はX染色体上にあることが分かっており、このため両方の遺伝子を持つネコは通常メスであり、オスでは染色体異常（X染色体過剰、ヒトでいうクラインフェルター症候群相当）またはモザイク染色体のネコだけである。両方の遺伝子を持つネコはトーティシェル（いわゆるサビネコ）あるいはトーティ・アンド・ホワイト（いわゆる三毛猫）と呼ばれるが、これらのネコにオスネコが珍しいのは、染色体異常のネコが珍しいためである。
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ノン・アグーティ遺伝子はタビー遺伝子よりも上位であるため、ノン・アグーティを2つ（aa）持つネコ（黒猫など）には通常、縞模様は見られない。タビー遺伝子を持つネコには、子猫のときなどにうっすらと縞模様が現れることがあり、ゴースト・マーキングと言われる。
cs遺伝子（サイアミーズ）は独特の遺伝子で、本来は色素の出現を抑える役割を持つが、温度が低いとその働きが抑制される。そのため、これを持つネコは温度の低い体の末端部（鼻、耳、足先など）のみに色素が出現し、シャムネコのようなポイント模様が現れる。温度が低い環境でも色素が出現し、色が濃くなる。
ホワイトの遺伝子（W）はすべての色に対して優性であるため、これを持つネコは他の遺伝子にかかわらず、白ネコになる。