三毛猫がほぼすべてメスになる理由は、被毛の色を決定する遺伝子と性染色体の組み合わせによって科学的に説明されます。猫の毛色を決める要素のうち、オレンジ（茶）を発現させる「O遺伝子（Orange gene）」はX染色体の上にのみ存在します。
性別の決定は人間と同様、染色体の組み合わせによります。
- メス猫：「XX」（X染色体が2本）
- オス猫：「XY」（X染色体が1本、Y染色体が1本）
毛色を茶色にする遺伝子をラージ「O」、茶色にしない（黒色などになる）遺伝子をスモール「o」とした場合、茶と黒が同時に現れるには「Oo」というヘテロ接合の状態が必要です。ここに白毛を発現させる別系統の遺伝子（S遺伝子など）が加わることで、「白・黒・茶」の3色が揃った三毛猫が誕生します。
しかし、オス（XY）が持つX染色体は通常1本だけです。そのため「O（茶）」か「o（黒）」のどちらか一方しか持つことができず、理論上、通常の染色体構成を持つオスが三毛柄になることは不可能です。
では、なぜ極めて稀にオスの三毛猫が生まれるのでしょうか。その理由は主に「クラインフェルター症候群」と呼ばれる性染色体異常にあります。本来「XY」であるべきオスの染色体が、受精時の分裂エラーなどによって「XXY」という3本の染色体構成になることで、オスでありながらX染色体を2本持ち、三毛柄が発現します。また、極めて稀に2つの受精卵が融合した「モザイク（キメラ）」個体として生まれるケースも確認されています。
この染色体異常が発生する確率は、統計上およそ3万分の1（約0.003%）と推計されており、これが「奇跡の猫」と呼ばれる所以です。
