Menée par Lon Grassman de février 1999 à mars 2003, une étude portant sur quatre espèces de félins en Thaïlande a été menée au sanctuaire faunique de Phu Khieo. Le but de l'étude était de connaître les déplacements de ces petits félins, la superficie et le chevauchement des territoires ainsi que leurs proies. En second lieu, l'étude portait sur les données chimiques des animaux capturés ainsi que sur l'identification de leurs ectoparasites. Les recherches s'appuyaient sur la pose de colliers émetteurs, l'utilisation de pièges photographiques et l'analyse des matières fécales. Une unique femelle de Chat marbré a pu être capturée et malheureusement a perdu sa balise émettrice au bout d'un mois. Peu d'informations ont pu être collectées, mais cela a permis d'établir pour la première fois quelques données sur le territoire et l'activité de ce félin.
Le Bornean Wild Cat and Clouded Leopard Project est un projet de recherche dont le but est d'étudier conjointement les cinq espèces de félins de l'île de Bornéo, dont les mœurs ne sont pas bien connues À terme, le projet devrait proposer un programme de conservation des félins sauvages de Bornéo. L'aire d'étude est fixée sur la Danum Valley Conservation Area, une forêt de diptérocarpacées du territoire de Sabah dont une partie est modifiée par l'abattage sélectif depuis les années 1960. Les recherches sont basées sur des pièges photographiques et la capture d'individus afin de les équiper d'un collier émetteur. Commencé en 2007, le projet devrait durer trois ans et a permis de récolter plusieurs photographies de Chat marbré, malheureusement trop peu nombreuses pour pouvoir évaluer la densité de population de ce félin.
Le Chat marbré vit principalement dans les forêts tropicales humides mais il a aussi été observé dans les forêts secondaires de Thaïlande et du Viêt Nam et les forêts mixtes. Des observations ont été rapportées entre 1 500 et 3 000 mètres d'altitude au pied de l'Himalaya, mais il semble que ce félin préfère les faibles altitudes plutôt que les montagnes. Il est capable de vivre dans des forêts modifiées par l'exploitation forestière, et des observations ont été faites près de mangroves ou sur les rives abruptes recouvertes de buissons d'une rivière.
Le Chat marbré est présent sur les territoires suivants : Bhoutan, Cambodge, Chine, île de Bornéo, île de Sumatra, Inde, Malaisie, Myanmar, Népal, Laos, Thaïlande, Viêt Nam. Sa présence au Bangladesh est très débattue.
Difficile à observer dans son milieu naturel, il est assez mal connu. Les observations permettant de certifier sa présence sont rares : une seule observation a été faite au Népal en 1981, quelques rapports de présence dans les provinces chinoises du Yunnan et du Guangxi. La première photo dans la nature est prise en 1994 au sanctuaire de faune de Huay Kha Khaeng par des pièges photographiques ce qui atteste sa présence en Thaïlande. De nouvelles photographies ont été prises dans le sanctuaire de Lanjak Entimau en Malaisie, quelques photos prises en 2002 dans le sanctuaire de faune de Phu Khieo en Thaïlande et plus récemment, une photographie dans la réserve naturelle de Dangku au sud de l'île de Sumatra en 2006.
Les principales menaces sont la déforestation et peut-être le braconnage local. Le commerce de fourrure est toujours une menace, par exemple, en 1998, le bulletin de TRAFFIC a répertorié la mise en vente de seize peaux de Chats marbrés sur le marché de Tachileik au Myanmar. Discret, il a tendance à fuir les zones où les humains vivent, mais sa réelle tolérance à l'intrusion humaine est méconnue. En raison de la déforestation qui a grandement réduit son habitat, l'Union internationale pour la conservation de la nature (UICN) le classe comme « vulnérable » depuis 2002. Il est inscrit en Annexe I de la CITES, ce qui interdit toute forme de commerce international du Chat marbré.
La chasse est régulée au Laos et à Singapour, autorisée en dehors des réserves naturelles au Bhoutan et au Brunei et interdite au Bangladesh, au Cambodge, dans la province chinoise du Yunnan, en Inde, en Indonésie, en Malaisie, au Myanmar (ex-Birmanie), au Népal et en Thaïlande.
Ses effectifs sont difficiles à quantifier. Les chercheurs ne savent pas si les observations sont rares parce que les effectifs sont peu nombreux, ou tout simplement parce que c'est une espèce discrète qui vit dans un environnement difficile d'accès. Lorsque des études sont menées à partir de pièges photographiques, les photographies du Chat marbré sont toujours moins nombreuses en comparaison avec d'autres félins, ce qui peut présager d'une rareté de l'espèce ; cependant ses mœurs arboricoles pourraient le préserver de photographies au sol. Les populations du Chat marbré sont estimées en 2008 par l'UICN à moins de 10 000 individus matures sur l'ensemble de son aire de répartition, sans qu'il y ait de populations isolées supérieures à 1 000 individus.
Moins de dix individus sont détenus en captivité. En 1989, l’International Species Information System (ISIS) répertoriait seulement quatre individus. En 1994, seuls deux parcs zoologiques en possédaient : le parc zoologique d'Agrate en Italie et le zoo de Chonburi en Thaïlande. En 2009, seuls trois spécimens sont répertoriés par ISIS ; ils sont détenus par le zoo de Chonburi et l'Al Bustan Wildlife Breeding Center.
Le Chat marbré a toujours été rare en captivité. Le 14 décembre 1882, le Jardin Zoologique de Londres obtient le premier Chat marbré en captivité capturé dans l'Assam. Aux États-Unis, le parc zoologique national de Washington obtient un spécimen en 1910, puis une paire de Chats marbrés est envoyée au zoo de Saint-Louis en 1937. Le zoo de San Diego se procure un couple provenant de l'île de Sumatra en 1964, mais ils ne supportent pas bien le voyage : en effet, la femelle meurt moins d'une semaine après sa venue dans l'établissement.
Une étude sur la possibilité de clonage thérapeutique a montré que le développement des embryons à partir de fibroblastes de Chat marbré est possible avec des ovocytes de chat domestique et de lapin. Selon l'auteur, l'utilisation du clonage pourrait permettre la future naissance de Chats marbrés.