Parijs 1910. Een rijke oudere dame besluit om haar fortuin na te laten aan haar kat Duchess en haar drie jonge katjes, Marie, Berlioz en Toulouse. Wanneer echter aan de katten iets zou gebeuren, gaat haar ganse fortuin naar de potsierlijke butler Edgar. De trouwe Edgar blijkt uiteraard het prototype van een Disney-schurk te zijn, die de katten verdooft en vervolgens ergens wil gaan dumpen. Een onfortuinlijke ontmoeting met twee honden, Napoleon en Lafayette, zorgt ervoor dat Edgar de mand met de katten ergens in het onherbergzame platteland moet dumpen. Wanneer de katten ontwaken, bevinden ze zich in het gezelschap van de sympathieke en wereldwijze rosse straatkater Thomas O'Malley, die onmiddellijk een oogje heeft op Duchess, en zo vertederd is door de drie kindertjes dat hij besluit om hem te helpen naar huis terug te keren. Het vijftal trotseert een melkleveraar en een trein, hebben een ontmoeting met twee kwebbelgrage eenden en hun dronken oom, en beleven een wilde nacht met de jazzband van Scat Cat. Terug bij het huis van Madame, moeten ze nog echter het grootste obstakel trotseren: een weerbarstige Edgar, die nu toch wel definitief van de katten af wil, en hen naar Timboektoe wil verschepen.
