Le panneau routier libellé « Belvédère du mont du Chat » implanté au point le plus élevé de la route indique une altitude de 1 504 mètres qui est en contradiction avec la topographie des lieux puisque le sommet de la montagne se trouve quelques dizaines de mètres au sud, à 1 496 mètres d'altitude[1] ; l'altitude maximale atteinte par la route est par conséquent inférieure à celle du signal du Mont du Chat, de l'ordre d'une dizaine de mètres[1]. Cette différence d'appréciation de l'altitude réelle de la route proviendrait du fait que sur l'édition de 1950 de la carte topographique de l'IGN, le sommet de la montagne est indiqué à 1 504 mètres juste au nord du futur passage de la route, au niveau de l'actuelle aire de décollage de vol libre[2] — les campagnes de mesures altimétriques ayant ultérieurement précisé la véritable altitude et position du sommet de la montagne.
Le relais du Mont du Chat constitue une ascension peu connue mais très difficile. Le magazine Le Cycle a affirmé en couverture de son magazine de qu’il s’agissait de la montée la plus dure de France[3]. Cependant le même qualificatif a été attribué au col du Grand Colombier sur la couverture de leur magazine de .
Il est possible de l’escalader par deux versants, d’une difficulté similaire mais assez différents dans leur profil. Quel que soit le versant emprunté, la route n’est pas très large et boisée après les premiers kilomètres les moins pentus.
Le versant ouest commence au carrefour (240 m) de la D41 et de la D921 vers la sortie de Yenne fait 17,4 km de long à 7,1 % de moyenne. Après environ 5 km, la route passe par Saint-Paul sur Yenne (427 m). L’ascension monte progressivement en difficulté : les 8,6 premiers kilomètres sont faciles, tandis que les 8,8 derniers à partir du hameau de Trouet au croisement des routes D41 et D42 (610 m) montent brutalement[4], avec une moyenne de 10 % et avec certains passages à 14 %. Par comparaison, des ascensions telles que l'Alpe d'Huez ou celle du plateau de Beille ont une montée moyenne de 8 %. Après deux kilomètres difficiles à 12 % de moyenne, un belvédère (1 420 m) 750 m avant le sommet offre une vue sur le Bugey avec notamment le Grand Colombier et le belvédère d’Innimond.
Le versant est par Le Bourget-du-Lac fait 13,5 km à 9,2 % de moyenne[5] à partir du croisement (240 m comme pour le versant ouest) des routes D14 et D42 au centre-ville. Une autre variante consiste à démarrer depuis le carrefour (292 m) entre la route du Tunnel du Chat et la petite route des Tournelles que l’on suit. En démarrant ainsi, l’ascension est un peu plus courte, avec 12,7 km à 9,4 %. Ces deux routes se rejoignent à un croisement (348 m) vers le lieu-dit "Le Petit Caton" après 1,7 km à 6,3 % depuis le centre-ville ou 950 m à 5,9 % par la route des Tournelles. Après cette mise en jambe, il reste 11,8 km à 9,6 % sans répit[4] jusqu’au sommet. Il est ainsi plus régulier que le versant ouest. Cette ascension est comparable à certains cols ou montées italiennes, courte sur la distance mais très raide. La particularité de ce versant réside dans ses longues lignes droites coupant la forêt sur plusieurs centaines de mètres, chaque lacet étant plus éloigné que le précédent[5].
Sur le versant est, la pente est constante, toujours proche de 10 %.
Le versant ouest est très raide sur les 9 derniers kilomètres, comme ici avec un passage à 14 % à 3,5 km du sommet.
Le Tour de France l'a emprunté deux fois, la première fois par son versant ouest en 1974, dans la 10e étape entre Gaillard et Aix-les-Bains. Gonzalo Aja est arrivé en premier au sommet[6] du mont mais on retient aussi que Raymond Poulidor attaqua[5] à 4 km du sommet et avait pris plus d'une minute à Eddy Merckx dans cette ascension[7]. Mais le Belge ne se résigna pas et, à la faveur d'une extraordinaire descente, revint sur les deux fuyards pour s'imposer au sprint à Aix-les-Bains.
Lors de cette ascension, le relais du Mont du Chat fut classé en deuxième catégorie[6] ; une classification déjà contestée à l'époque du fait de la grande difficulté de l'ascension, Raymond Poulidor l'expliquant par le fait que la montée était méconnue[8]. Par ailleurs, la classification des montées n'était pas la même, et tenait plus compte de la distance et de l'altitude que de la pente moyenne, et le classement hors catégorie n'existait pas encore, n'ayant été instauré qu'en 1979.
En 2017, quarante-deux ans après son premier et unique passage, le Tour de France est de nouveau prévu au relais du Mont du Chat, dans l'étape entre Nantua et Chambéry. Il est classé cette fois hors catégorie[9]. C'est Warren Barguil qui le franchit en premier et en solitaire, une dizaine de secondes devant le groupe des favoris. Nairo Quintana et Alberto Contador sont lâchés, particulièrement le coureur espagnol. L'événement marquant est la chute de Richie Porte dans la descente, transféré à l'hôpital.