Millie katten har lämnats med en misstänkt bruten käke från attacken, som RSPCA beskrev som "sickening".
Videon visar två män som går mot Millie i Derby, sedan sparkar en henne och hon flyger flera meter i luften.
Det hände utanför Guinness Trust lägenheter i Sidney Street vid omkring 16:25 GMT på torsdag.
RSPCA inspektör Sarah Burrows sade: " Det är en oprovocerad attack som sorgligt nog har lämnat Millie med en misstänkt bruten käke.
"Att anfalla en försvarslös katt är vidrigt och det är viktigt att vi spårar de ansvariga."
Välgörenhet bad vem som helst med information att kontakta dem.
De varnade för att alla som befunnits skyldiga till onödigt lidande för ett djur skulle kunna ställas inför upp till sex månaders fängelse och böter på upp till 20 000 pund.
RSPCA försöker hitta en man som fångades på CCTV som sparkade en katt "mycket hårt" i luften.