Chó sói túi hiện đại có lẽ đã xuất hiện vào khoảng 4 triệu năm trước. Họ Thylacinidae được cho là bắt nguồn vào đầu thế Miocene; kể từ đầu những năm 1990, ít nhất bảy loài hóa thạch đã được phát hiện tại Riversleigh, một phần của công viên Quốc gia Lawn Hill ở phía tây bắc Queensland.[7][8] Thylacine của Dickson (Nimbacinus Dicksoni) là loài lâu đời nhất trong số bảy loài hóa thạch được phát hiện, có niên đại từ 23 triệu năm trước. Thylacinid này nhỏ hơn hẳn so với các họ hàng gần đây của chúng.[9] Loài lớn nhất, thylacine mạnh mẽ (Thylacinus potens) phát triển đến kích cỡ của một con sói, là loài duy nhất sống sót trong thế Miocen muộn.[10] Vào thời kỳ cuối của thế Canh Tân và đầu thế Toàn Tân sớm, chó sói túi hiện đại đã lan rộng (mặc dù với số lượng không đáng kể) trên khắp đất liền của Úc và New Guinea.[11]

Một ví dụ điển hình về sự tiến hóa hội tụ, chó sói túi cho thấy nhiều điểm tương đồng với các thành viên của họ chó, Canidae, ở Bắc bán cầu: răng sắc nhọn, hàm mạnh mẽ, gót chân cao và toàn bộ hình thái cơ thể nói chung giống hệt với chó. Kể từ khi chó sói túi lấp đầy hốc sinh thái ở Úc giống như họ chó đã làm ở các nơi khác, chúng đã phát triển nhiều đặc điểm tương tự. Mặc dù vậy, vì là một loài thú có túi, nó không liên quan đến bất kỳ loài thú có nhau thai ăn thịt nào ở Bắc bán cầu.[12]

Chúng rất dễ để phân biệt với loài chó vì những cái sọc sau lưng nhưng bộ xương của chúng lại khó để phần biệt hơn. Các sinh viên động vật học tại Oxford phải nhận dạng 100 cá thể động vật trong kì thi cuối năm. Tin tức bắt đầu lan truyền, nếu cứ có một cái sọ 'chó' xuất hiện, bạn nên xác định nó là loài Thylacinus với lý do rằng bất cứ thứ gì rõ ràng như hộp sọ của chó chắc chắn là một cái bẫy. Sau đó một năm, các giám khảo đã nhân đôi độ khó và đưa vào bài thi hộp sọ chó thật. Cách dễ nhất để nói lên sự khác biệt là hai lỗ nổi bật ở xương vòm miệng, là đặc điểm chung của tất cả các loài thú có túi.[13]

— Richard Dawkins, The Ancestor's Tale

Phát sinh chủng loài

Chó sói túi là một thành viên nguyên thủy của bộ Dasyuromorphia. Cây phát sinh loài được hiển thị ở dưới:[14]