ティロサウルス
長い年月をかけてティロサウルスの多くの種が命名されたものの、科学者が分類学的に有効であると判断したものは多くない。有効であるとされた種には、北アメリカ(カンザス州・アラバマ州・ネブラスカ州ほか)のサントニアンと下部 - 中部カンパニアンから産出した Tylosaurus proriger (Cope, 1869)、カンザス州のサントニアンから産出した Tylosaurus nepaeolicus (Cope, 1874 ) がいる。エヴァンハートが2005年に命名した Tylosaurus kansasensisはカンザス州の後期コニアシアンから産出したもので、T. nepaeolicus の幼体に基づくものであることが示されている。T. proriger は T. nepaeolicus のネオテニーとして進化しており、幼体の特徴が成体やさらに大型な個体にも共通している。
近縁属ハイノサウルスは北アメリカとヨーロッパの白亜系から産出した属であり、ティロサウルスとハイノサウルスのいずれもがティロサウルス亜科に属する。しかし、2016年に発表された研究では、ハイノサウルスがティロサウルスと同属である可能性が高いとされた。ベルはティロサウルス亜科をプリオプラテカルプス亜科(プラテカルプス、プリオプラテカルプスなど)とともに非公式の単系統群 "Russellosaurinae" に分類した。
以下のクラドグラムは古生物学者小西卓哉と Michael W. Caldwell による2011年の系統解析に従う。
他の多くのモササウルス科爬虫類と同様にティロサウルスの歴史は複雑であり、初期のアメリカ合衆国の古生物学者エドワード・ドリンカー・コープとオスニエル・チャールズ・マーシュによる化石戦争に巻き込まれている。1868年にカンザス州西部から産出した断片的な頭骨と13個の椎骨に基づきコープはマクロサウルス・プロリゲル ("Macrosaurus" proriger) という学名を提唱した。この標本はハーバード大学比較動物学博物館に置かれた。1年後にコープは同じ標本をさらに詳細に再記載し、イギリスから産出したモササウルス科の分類群であるリオドンに再分類した。1872年にはマーシュがさらに完全な標本を新属リノサウルス(Rhinosaurus、「鼻トカゲ」の意)に分類したが、すぐにこの学名は別の動物に既に使われていることが判明した。コープはリノサウルスを別の新たな名前ランポサウルス ('Rhamposaurus) に置き換えることを提案したが、これもまた既に使用されていることが明らかになった。マーシュは最終的に新属ティロサウルスを確立し、最初のハーバード大学の標本と、同様にカンザス州から産出したさらに完全な追加の標本を本属に分類した。T. proriger の巨大な標本が1911年にカンザス州ウォレス郡でC・D・バンカーにより発見され、これはそれまでに発見されたティロサウルスの骨格では最大のものであった。