これを試してください:
$items = DB::table('items')
->join('catitem_item', 'catitem_item.item_id', '=', 'items.id')
->whereIn('catitem_item.catitem_id', $cats)
->groupBy('items.id')
->having(DB::raw('count(*)'), '=', count($cats))
->select('items.*')
->paginate(10);
HAVING count(*) = 3
の場合 クエリは、リストされているすべてのカテゴリを持つアイテムのみを返します。