Khủng long bạo chúa được xếp vào phân họ Tyrannosaurinea, họ Tyrannosauridea và liên họ Tyrannosauroidea. Các thành viên khác của phân họ Tyrannosaurinae bao gồm Daspletosaurus Bắc Mỹ và Tarbosaurus châu Á,[47][48] cả hai đôi khi được xem là đồng nghĩa với Tyrannosaurus.[29] Tyrannosauridae từng được cho là con cháu của các nhóm theropoda cổ như megalosauria và carnosauria, nhưng hiện chúng được tái phân loại với nhóm coelurosauria nhỏ hơn.[28]

Năm 1955, nhà cổ sinh vật học Evgeny Maleev người Xô Viết đặt tên một loài mới, Tyrannosaurus bataar, từ Mông Cổ.[49] Năm 1965, loài này được tái danh Tarbosaurus bataar.[50] Mặc dù bị tái danh, nhiều cây phát sinh loài vẫn cho thấy Tarbosaurus bataar là đơn vị phân loại chị em của Tyrannosaurus rex,[48] và đôi khi được cho là Tyrannosaurus châu Á.[28][51][52] Việc tái mô tả hộp sọ Tarbosaurus bataar cho thấy nó hẹp hơn Tyrannosaurus rex và khi cắn, sự phân bố áp lực trên sọ rất khác biệt, gần giống Alioramus, một Tyrannosauria châu Á khác.[53] Phân tích nhánh phát sinh loài cho thấy Alioramus, không phải Tyrannosaurus, mới là chi chị em với Tarbosaurus, điều này, nếu là sự thật, sẽ cho thấy Tarbosaurus và Tyrannosaurus nên được tách riêng.[47]\

Các hóa thạch Tyrannosauridae khác được tìm thấy cùng thành hệ với Tyrannosaurus rex ban đầu được phân loại trong các đơn vị khác nhau, bao gồm Aublysodon và Albertosaurus megagracilis,[29] sau đó được tái danh Dinotyrannus megagracilis năm 1995.[54] Tuy nhiên, hiên nay các hóa thạch này được xem là Tyrannosaurus rex chưa trưởng thành.[55] Một hộp sọ nhỏ nhưng hầu như nguyên vẹn từ Montana, dài 60 xentimét (2,0 ft), có thể là ngoại lệ. Hộp sọ này ban đầu được phân loại là Gorgosaurus (G. lancensis) bởi Charles W. Gilmore năm 1946,[56] sau đó được chuyển sang chi mới, Nanotyrannus.[57] Nhiều nhà khoa học coi hộp sọ này là của Tyrannosaurus rex chưa trưởng thành.[58] Có sự khác biệt nhỏ giữa hai loài, bao gồm số răng của N. lancensis nhiều hơn, giúp vài nhà khoa học tách riêng hai chi cho tới khi có nhiều phát hiện hơn.[48][59]

Dưới đây là cây phát sinh loài Tyrannosauridae dựa trên phân tích phân tử của Loewen et al. năm 2013.[60]