Mô hình của Coelophysis, chi mà Dilophosaurus thường được gắn với, Bảo tàng Redpat

Welles đã nghĩ Dilophosaurusthuộc liên họ Đại long vào năm 1954, nhưng đã thay đổi ý kiến ​​của mình vào năm 1970 sau khi phát hiện ra rằng nó có mào.[13][17] Đến năm 1974, Welles và nhà cổ sinh vật học người Mỹ Robert A. Long đã phát hiện rằng Dilophosaurus là một khủng long đầu gồ.[22] Vào năm 1984, Welles đã phát hiện ra rằng Dilophosaurus thể hiện các đặc điểm của cả khủng long đuôi rỗng và Carnosaurus, hai nhóm chính mà trong đó các khủng long chân thú đến giờ đều được cho vào, dựa trên kích thước cơ thể và ông cho rằng sự phân chia này là không chính xác. Ông đã tìm thấy Dilophosaurus gần gũi nhất với những khủng long chân thú được đặt trong họ Coelophysoidea, đặc biệt là Liliensternus.[2]

Vào năm 1988, nhà cổ sinh vật học người Mỹ, Gregory S. Paul, đã phân loại halticosaurs là một phân họ của họ Coelophysidae, và cho rằng Dilophosaurus có thể là hậu duệ trực tiếp của Coelophysis. Paul cũng đã xem xét khả năng các đại long xương gai là những loài dilophosaurs sống sót sau này, dựa trên sự giống nhau của mõm bị xoắn, vị trí lỗ mũi và hàm răng thon của loài Baryonyx.[4] Năm 1994, nhà cổ sinh vật học người Mỹ Thomas R. Holtz đã đặt Dilophosaurus vào nhóm Coelophysoidea, cùng với nhưng tách ra khỏi Coelophysidae. Ông đặt Coelophysoidea trong nhóm Ceratosauria.[23] Năm 2000, nhà cổ sinh vật học người Mỹ James H. Madsen và Welles đã chia Ceratosauria thành họ Ceratosauridae và họ Khủng long hai mào, với Dilophosaurus là thành viên duy nhất của họ thứ hai.[24]

Khung xương tái dựng của loài khủng long đầu mào Cryolophosaurus, đôi khi được cho là họ hàng gần gũi của Dilophosaurus, tại FMNH

Lamanna và các đồng nghiệp đã chỉ ra vào năm 1998 rằng kể từ khi Dilophosaurus được phát hiện có mào trên hộp sọ của nó, các loài khủng long mào tương tự khác đã được phát hiện (bao gồm Sinosaurus), và do đó đặc điểm này không phải là duy nhất đối với chi và chỉ được sử dụng hạn chế để xác định mối quan hệ trong nhóm của chi này.[25] Nhà cổ sinh vật học người Úc Adam M. Yates đã mô tả chi Dracovenator mới từ Nam Phi vào năm 2005, và thấy nó có liên hệ chặt chẽ với Dilophosaurus và Zupaysaurus. Phân tích nhánh học của ông cho thấy chúng không thuộc về Coelophysoidea, mà là thuộc Neotheropoda, một nhóm phát triển hơn (hoặc "tiên tiến hơn"). Ông đề xuất rằng nếu Dilophosaurus phát triển hơn Coelophysoidea, thì các đặc điểm mà nó chia sẻ với nhóm này có thể đã được thừa hưởng từ các loài chân thú cơ bản (hoặc "nguyên thủy"), cho thấy rằng các khủng long chân thú có thể đã trải qua "giai đoạn coelophysoid" trong quá trình tiến hóa ban đầu của chúng.[26]

Vào năm 2007, nhà cổ sinh vật học người Mỹ, Nathan D. Smith và các đồng nghiệp đã tìm ra loài khủng long mào Cryolophosaurus chị em của Dilophosaurus, và nhóm chúng với Dracovenator và Sinosaurus. Nhóm này phát triển nhiều hơn Coelophysoidea, nhưng cơ bản hơn Ceratosauria, do đó các loài khủng long chân thú được sắp xếp giống như các bậc thang.[27] Vào năm 2012, Carrano và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng cá loài khủng long mào do Smith và các đồng nghiệp đề xuất được dựa trên các đặc điểm liên quan các mào, nhưng các đặc điểm còn lại của bộ xương ít nhất quán hơn. Thay vào đó, họ phát hiện ra rằng Dilophosaurus là một coelophysoid, với Cryolophosaurus và Sinosaurus tiên tiến hơn, với tư cách là thành viên nguyên thủy của nhóm Tetanurae.[14]

Nhà cổ sinh vật học người Bỉ, ông Kouthe Hendrickx và các đồng nghiệp đã định nghĩa Dilophosauridae bao gồm Dilophosaurus và Dracovenator vào năm 2015, và lưu ý rằng trong khi ta đều có sự thiếu chắc chắn chung về điều này, nhóm này dường như phát triển hơn nhiều so với Coelophysoidea và nhóm chị em với Averostra. Dilophosauridae chia sẻ các đặc điểm với Coelophysoidea như khoảng trống xương mũi và răng trước của mảnh hàm trên chĩa về phía trước, trong khi các đặc điểm được chia sẻ với Averostra bao gồm một cửa sổ ở phía trước của mảnh hàm trên và số lượng răng giảm ở hàm trên. Họ cho rằng các đỉnh mào của Cryolophosaurus và Sinosaurus đã tiến hóa hội tụ hoặc là một đặc điểm được thừa hưởng từ một tổ tiên chung. Sơ đồ phát sinh chủng loài sau đây dựa trên đề xuất của Hendrickx và các đồng nghiệp, chính đây cũng dựa trên các nghiên cứu trước đó:[42]

Xương sọ của Dracovenator, có thể là họ hàng thân cận của Dilophosaurus (dựa trên cách các khúc xương trên đầu được bố trí), ROM

Neotheropoda	Coelophysidae       Liliensternus       Zupaysaurus     Dilophosauridae   Dilophosaurus     Dracovenator     Averostra   Ceratosauria   Tetanurae   Cryolophosaurus     Sinosaurus       Monolophosaurus     Orionides