Carnotaurus là một trong những chi được biết đến nhiều nhất của họ Abelisauridae, một họ khủng long lớn ở miền nam siêu lục địa cổ đại Gondwana. Họ Abelisauridae là những kẻ săn mồi thống lĩnh vào cuối kỷ Creta của Gondwana thay thế cho Carcharodontosauridae và chiếm hệ sinh thái phía nam trong khi Tyrannosauridae chiếm phía bắc.[1] Một số đặc điểm đáng chú ý phát triển trong họ này, bao gồm hộp sọ và cánh tay ngắn, cũng như sự dị biệt của đốt xương cổ và đuôi, rõ rệt trong Carnotaurus hơn bất kỳ loài Abelisauridae nào khác.[upper-alpha 10][upper-alpha 11][10]

Họ hàng gần nhất của nó có thể là Aucasaurus[8][11][12] hay Majungasaurus;[13][14][15] sự mơ hồ này phần lớn là do sự bất toàn tài liệu hộp sọ của Aucasaurus.[upper-alpha 12][upper-alpha 13] Một nghiên cứu gần đây cho thấy rằng Carnotaurus không có quan hệ họ hàng gần với Aucasaurus hay Majungasaurus, và thay vào đó đề xuất Ilokelesia như một đơn vị phân loại chị em.[upper-alpha 14]

Carnotaurus là tên để sinh ra tên gọi cho hai phân nhóm của họ Abelisauridae: Carnotaurinae và Carnotaurini. Không phải nhà cổ sinh vật học nào cũng chấp nhận hai nhóm này. Carnotaurinae được định nghĩa là bao gồm tất cả các loài trong họ Abelisauridae ngoại trừ Abelisaurus, được coi là một thành viên cơ sở của họ Abelisauridae trong hầu hết các nghiên cứu.[16] Carnotaurini được đề xuất để đặt tên cho một nhánh bao gồm Carnotaurus và Aucasaurus;[11] chỉ có những nhà khảo cổ học nào xem Aucasaurus là họ hàng gần nhất của Carnotaurus mới sử dụng nhóm này.[17]