Ja, sæt det i løkken:
$array[ $row['cat_title'] ][ $row['sub_cat_id'] ] = $row['sub_cat_title'];
Men $array[$row['cat_title']] er muligvis ikke indstillet endnu, så du bør tilføje denne kontrol på forhånd:
if( !isset( $array[$row['cat_title']])) {
$array[$row['cat_title']] = array();
}
Din originale kode behøver ikke denne kontrol siden $array[] vil ikke generere nogen meddelelser/advarsler, men når du forsøger at indstille en specifik nøgle, vil det generere en meddelelse/advarsel, hvis variablen ikke allerede er erklæret som et array.