科也有类似的外表，颈部短、头部大、以及不同于蛇颈龙类的身体比例。最近20年，种系发生学兴起，双臼椎龙科属于上龙亚目的传统分类法，开始遭到质疑。在1997年，有研究人员提出双臼椎龙科是蛇颈龙亚目薄板龙科的近亲。在2001年，其他研究人员提出双臼椎龙是侏罗纪浅隐龙的近亲，牠们应该是浅隐龙超科的进阶型物种。以下演化树来自于2004年的双臼椎龙科研究：在2007年的一个双臼椎龙科研究，提出双臼椎龙的最近亲是新发现的始双臼椎龙，并建立双臼椎龙亚科（Polycotylinae）。以下为同研究的演化树：