Ano, nastavte to ve smyčce:
$array[ $row['cat_title'] ][ $row['sub_cat_id'] ] = $row['sub_cat_title'];
Ale $array[$row['cat_title']] možná ještě není nastaveno, takže byste měli předem přidat tuto kontrolu:
if( !isset( $array[$row['cat_title']])) {
$array[$row['cat_title']] = array();
}
Váš původní kód tuto kontrolu nepotřebuje, protože $array[] nevygeneruje žádná upozornění/varování, ale když se pokusíte nastavit konkrétní klíč, vygeneruje upozornění/varování, pokud proměnná již není deklarována jako pole.