Cá nhà táng thuộc về Bộ Cá voi, phân bộ Cá voi có răng (bao hàm cá heo và các loài cá voi có răng khác) và là thành viên duy nhất của họ Cá nhà táng (Physeteridae) và của chi cùng tên (Physeter). Hiện có hai loài "cá nhà táng" có mối quan hệ gần gũi với nó, đó là cá nhà táng nhỏ (Kogia breviceps) và cá nhà táng lùn (K. simus) của họ Cá nhà táng nhỏ (Kogiidae) và chi cùng tên (Kogia).[12] Trong một số hệ thống phân loại khác, cá nhà táng nhỏ/lùn và cá nhà táng "lớn" được xếp vào siêu họ Cá nhà táng.[13]

Cá nhà táng là một trong những loài vật đầu tiên được mô tả trong tác phẩm Systema Naturae của Linnaeus vào năm 1758. Linnaeus lúc đó cho rằng chi Cá nhà táng có 4 loài[14], nhưng không lâu sau đó giới khoa học nhận ra rằng chỉ có một loài cá nhà táng duy nhất tồn tại. Hai cái tên P. catodon và P. macrocephalus - 2 trong 4 tên mà Linnaeus dùng để gọi các "loài" cá nhà táng - được đề cử và hiện nay chúng vẫn được dùng song song, tuy nhiên gần đây giới khoa học chủ yếu dùng cái tên macrocephalus làm tên chính thức và catodon' chỉ là tên đồng nghĩa ít dùng.[a]