Tiranosaurus
kecil namun nyaris lengkap dari Montana dengan panjang 60 cm. Tengkorak tersebut aslinya digolongkan sebagai salah satu spesies Gorgosaurus (G. lancensis) oleh Charles W. Gilmore pada tahun 1946, namun kemudian disebut sebagai sebuah genus baru, Nanotyrannus. Para paleontolog saat ini masih memperdebatkan apakah N. lancensis memang terpisah dari Tyrannosaurus rex. Beberapa menganggap
tengkorak tersebut merupakan tengkorak T. rex muda. Tidak terdapat terlalu banyak perbedaan di antara kedua spesies tersebut, tetapi jumlah gigi N. lancensis lebih banyak, sehingga beberapa ilmuwan menyarankan agar tetap memisahkan kedua genus tersebut hingga penelitian dan penemuan-penemuan baru dapat menjelaskan hal tersebut.
Berikut adalah kladogram Tyrannosauridae berdasarkan hasil analisis filogenetik yang dilakukan oleh Loewen et al. pada tahun 2013.
Tyrannosauridae Albertosaurinae Gorgosaurus libratus Albertosaurus sarcophagusTyrannosaurinae Tyrannosauridae Dinosaur Park Daspletosaurus torosus Tyrannosauridae Two Medicine Teratophoneus curriei Bistahieversor sealeyi Lythronax argestes Tyrannosaurus rex Tarbosaurus bataar Zhuchengtyrannus magnus
Penemuan beberapa spesimen Tyrannosaurus rex muda telah memungkinkan penelitian perubahan ontogenesis pada spesies tersebut. Berkat spesimen-spesimen ini, para ilmuwan juga dapat memperkirakan rentang kehidupan Tiranosaurus, serta menentukan seberapa cepat dinosaurus tersebut dapat tumbuh. Individu terkecil yang telah ditemukan (LACM 28471, "teropoda Yordania") diperkirakan hanya memiliki massa 30 kg, sementara
yang terbesar, seperti FMNH PR2081 (Sue), kemungkinan bermassa 5650 kg. Analisis histologi terhadap tulang-tulang Tyrannosaurus rex menunjukkan LACM 28471 hanya berusia 2 tahun saat mati, sementara Sue menjemput ajal saat berumur 28 tahun, yang mungkin mendekati rentang kehidupan maksimal Tiranosaurus.
Histologi juga memungkinkan penentuan usia spesimen lainnya. Kurva pertumbuhan kemudian dapat dibuat dengan membandingkan massa spesimen dengan usianya. Kurva pertumbuhan Tyrannosaurus rex berbentuk seperti huruf S: yang masih muda memiliki massa di bawah 1800 kg sampai sekitar usia 14 tahun, dan kemudian massa tubuhnya naik secara drastis. Pada fase pertumbuhan eksponensial ini,
massa seekor Tyrannosaurus rex muda setiap tahunnya bertambah dengan rata-rata 600 kg untuk kurun waktu empat tahun. Pada usia 18 tahun, kurva mendatar kembali, yang menunjukkan bahwa pertumbuhan telah melambat. Sebagai gambaran, perbedaan massa Sue yang berusia 28 tahun dengan spesimen dari Kanada yang berumur 22 tahun (RTMP 81.12.1) hanya sebesar 600 kg. Hasil
penelitian histologi dari tahun 2004 memperkuat temuan-temuan ini dengan menunjukkan bahwa pertumbuhan yang cepat mulai melambat pada usia 16 tahun.
Spesimen Tiranosaurus muda yang berusia 11 tahun (diberi nama Jane) dengan spesimen dewasa di belakang. Kerangka-kerangka ini disimpan di Museum Sejarah Alam Burpee Hasil penelitian Hutchinson et al. pada tahun 2011 memperkuat temuan-temuan ini, walaupun laju pertumbuhannya ternyata lebih tinggi daripada yang sebelumnya diperkirakan, yaitu 1790 kg setiap tahunnya pada
masa pertumbuhan eksponensial. Penelitian tersebut mengurangi secara signifikan perbedaan antara laju pertumbuhan aktual dengan laju pertumbuhan yang diperkirakan untuk hewan sebesar itu. Perubahan laju pertumbuhan secara mendadak pada akhir masa pertumbuhan mungkin menunjukkan kematangan fisik, sebuah hipotesis yang didukung oleh penemuan jaringan meduler pada tulang paha spesimen Tyrannosaurus rex yang berusia
antara 16 hingga 20 tahun dari Montana (MOR 1125, juga dikenal sebagai B-rex). Jaringan meduler hanya ditemukan pada burung betina selama ovulasi, sehingga kemungkinan B-rex sudah berada dalam usia reproduksi. Penelitian lebih lanjut memperkirakan usia 18 tahun untuk spesimen ini. Pada tahun 2016, Mary Higby Schweitzer dan Lindsay Zanno et al. akhirnya berhasil
membuktikan bahwa jaringan lunak pada tulang paha MOR 1125 adalah jaringan meduler. Temuan ini memastikan bahwa spesimen tersebut adalah seekor betina. Penemuan jaringan tulang meduler pada Tyrannosaurus mungkin akan sangat membantu upaya penentuan jenis kelamin spesies dinosaurus lainnya, karena susunan kimiawi jaringan meduler sangat jelas menunjukkan jenis kelamin hewan
tersebut. Sebagai perbandingan, Tyrannosauridae lainnya memiliki laju pertumbuhan yang hampir mirip, walaupun jika dibandingkan secara proporsional laju pertumbuhan mereka lebih rendah karena ukuran tubuh dewasa mereka juga lebih kecil.
Lebih dari setengah spesimen Tyrannosaurus rex yang telah ditemukan tampaknya mati dalam waktu enam tahun setelah matang secara seksual. Secara keseluruhan, tingkat kematian pada bayi Tiranosaurus tinggi, dan lalu tingkat kematian pada Tiranosaurus muda relatif rendah. Tingkat kematian naik lagi setelah mereka matang secara seksual, salah satunya akibat tekanan
reproduksi. Menurut salah satu hasil penelitian, terdapat kemungkinan bahwa kelangkaan fosil Tyrannosaurus rex muda diakibatkan oleh tingkat kematian Tiranosaurus muda yang rendah; hewan-hewan tersebut tidak mati dalam jumlah yang besar pada usia tersebut, sehingga semakin kecil kemungkinan fosilisasi. Kelangkaan ini juga dapat disebabkan oleh
ketidaklengkapan catatan fosil atau kecenderungan para kolektor fosil untuk mencari spesimen yang lebih besar. Sementara itu, Gregory S. Paul menduga bahwa Tyrannosaurus bereproduksi secara cepat dan mati muda, tetapi mengaitkan rentang kehidupan mereka yang pendek dengan lingkungan hidup mereka yang berbahaya.
Seiring dengan meningkatnya jumlah spesimen yang telah ditemukan, para ilmuwan mulai menganalisis variasi di tingkatan individual dan menemukan dua jenis tubuh yang berbeda, mirip dengan yang telah ditemukan pada beberapa spesies teropoda lainnya. Salah satu dari kedua bentuk ini lebih kokoh, sehingga disebut bentuk yang 'tegar' (robust), sementara yang lainnya diberi
julukan 'langsing' atau 'ramping' (gracile). Beberapa perbedaan morfologis di antara kedua bentuk tersebut digunakan untuk menganalisis dimorfisme seksual pada spesies Tyrannosaurus rex, dan bentuk yang 'tegar' diduga merupakan bentuk tubuh betina. Sebagai contoh, panggul beberapa spesimen yang 'tegar' tampaknya lebih lebar, kemungkinan agar telur bisa lewat. Morfologi 'tegar'
juga diduga berkorelasi dengan tulang chevron yang lebih kecil di ekor pertama vertebra, seolah-olah agar telur dapat keluar dari saluran reproduksi, seperti yang pernah dilaporkan terjadi pada buaya (walaupun sebenarnya salah).
Dalam beberapa tahun terakhir, bukti yang menunjukkan keberadaan dimorfisme seksual semakin melemah. Sebuah penelitian dari tahun 2005 melaporkan bahwa klaim-klaim sebelumnya mengenai keberadaan dimorfisme seksual pada anatomi chevron buaya merupakan suatu kesalahan, sehingga menimbulkan keraguan terhadap keberadaan dimorfisme serupa pada spesies Tyrannosaurus rex. Sebuah
chevron berukuran penuh ditemukan di ekor pertama vertebra Sue, seekor individu yang sangat tegar, yang menyiratkan bahwa tulang tersebut tak dapat digunakan untuk memisahkan dua bentuk yang berbeda. Pada spesimen-spesimen Tyrannosaurus rex yang ditemukan di wilayah yang terbentang dari Saskatchewan hingga New Mexico, perbedaan antar individu mungkin lebih menunjukkan variasi yang diakibatkan oleh geografi
ketimbang dimorfisme seksual. Perbedaan juga dapat disebabkan oleh usia, dan berdasarkan dugaan ini individu-individu yang 'tegar' merupakan hewan-hewan yang lebih tua.
Hanya ada satu spesimen Tyrannosaurus rex yang telah terbukti memiliki jenis kelamin tertentu. Pengujian B-rex menemukan jaringan lunak di dalam beberapa tulang. Beberapa jaringan tersebut telah diidentifikasikan sebagai jaringan meduler, yaitu sebuah jaringan khusus yang hanya ada pada burung modern sebagai sumber kalsium untuk memproduksi cangkang telur selama