Việc phân loại Cryolophosaurus gặp khó khăn vì nó kết hợp cả các nét nguyên thủy và cấp tiến. Xương đùi có nét của Theropoda thời đầu, trong khi hộp sọ lại giống các thành viên xuất hiện sau của nhánh Tetanurae, như Sinraptor và Yangchuanosaurus. Việc này khiến Paul Sereno et al. (1994) đặt Cryolophosaurus vào họ Allosauridae.[2] Ban đầu, Hammer và đồng nghiệp tin rằng Cryolophosaurus có thể là Ceratosauria hay thậm chí Abelisauria thời đầu, với vài nét giống Tetanurae vì tiến hóa hội tụ, nhưng cuối cùng họ lại cho rằng Cryolophosaurus là thành viên cổ nhất của nhóm Tetanurae.[3][4] Các nghiên cứu sau đó của Hammer (với Smith và Currie) tái khẳng định Cryolophosaurus là Tetanurae, một nghiên cứu đồng tác giả năm 2007 phát hiện rằng nó gần hơn với Dilophosaurus và Dracovenator.[5][6] Sterling Nesbitt et al. (2009), dùng những đặc điểm của chi khủng long Tawa phát hiện Cryolophosaurus không nằm trong Dilophosauridae hay Neotheropoda Averostra mà là nhóm chị em của một nhánh gồm Dilophosauridae và Averostra.[7] Tuy nhiên, năm 2012, Matthew Carrano khẳng định Cryolophosaurus là một Tetanurae, gần nới Sinosaurus, chứ không liên quan tới Dilophosaurus.[8]

Cây phát sinh loài bên dưới dựa trên phân tích phát sinh loài của Carrano năm 2012:[8]