Trước khi công bố phục dựng mới dựa trên bộ xương gần hoàn chỉnh năm 2014 chứng minh rằng Deinocheirus là một Ornithomimosauria lớn, nhiều nhà khoa học không phải luôn đồng ý về vị trí của Deinocheirus trong Dinosauria (khủng long). Trong khi Kielan-Jaworowska ban đầu đặt nó trong họ Megalosauridae, thì Osmólska và Roniewicz lại tạo một họ mới cho Deinocheirus là Deinocheiridae. Họ Deinocheiridae ban đầu lại được đặt trong phân thứ bộ Carnosauria, vì "kích thước khủng khiếp và xương chi dày" nhưng Osmólska và Roniewicz cũng suy đoán nó có thể là "một mắt xích liên kết Carnosauria và Coelurosauria". Trong phạm vi Carnosauria, họ Deinocheiridae được gán không chắc chắn kiểu "faute de mieux" (tiếng Pháp, chỉ sự "khả dĩ hơn") vào siêu họ Megalosauroidea, cơ bản vì nó rõ ràng không phải Tyrannosauroidea (chi trước tiêu giảm mạnh và chỉ có hai ngón rất nhỏ).[2]

Peter Makovicky và cộng sự chỉ ra rằng nếu Deinocheirus là Ornithomimosauria, nó sẽ là một chi khá nguyên thủy vì thiếu một vài đặc điểm thường thấy của Ornithomimosauria.[13] Các đặc điểm nguyên thủy bao gồm vuốt uốn cong, tỉ lệ giữa xương vai/xương cánh tay thấp, thiếu khớp dây chằng, phần bướu lồi phía sau của xương quạ ngắn, tổng chiều dài đốt hai và đốt ba của ngón tay thứ ba là lớn hơn chiều dài của đốt một. Yoshitsugu Kobayashi và Rinchen Barsbold thêm Deinocheirus vào nhiều nghiên cứu phát sinh chủng loài Theropoda và không giải quyết được mối quan hệ chính xác của nó nhưng ghi nhận thêm vài bằng chứng rằng nó là Ornithomimosauria. Các bằng chứng gồm bàn tay ngắn, xương bàn tay dẹt và vuốt thuôn dài.[14]

Biểu đồ nhánh dưới đây lấy theo phân tích của Yuong-Nam Lee, Rinchen Barsbold, Philip J. Currie, Yoshitsugu Kobayashi, Hang-Jae Lee, Pascal Godefroit, François Escuillié & Tsogtbaatar Chinzorig (2014).[15]