Mèo cây châu Mỹ có sự liên quan chặt chẽ nhất với báo sư tử; nhóm này là loài chị em của báo săn.[5] Ba loài này bao gồm chi Puma, một trong tám chi của họ Felidae. Nhóm chị em của chi Puma là một nhóm gồm những loài mèo nhỏ ở Cựu thế giới bao gồm các chi Felis, Otocolobus và Prionailurus.[6]

Ba loài thuộc chi Puma có thể có tổ tiên chung trong thế Miocen, khoảng 8,25 triệu năm trước.[7][8] Acinonyx có thể chuyển hướng từ dòng này ở châu Mỹ;[9][10][11] một số người cho rằng loài báo đó đã phân kỳ trong Thế giới cũ.[12][13]

Chi Puma dường như đã di cư từ châu Á đến Bắc Mỹ sau khi vượt qua eo biển Bering, đến Nam Mỹ qua eo đất Panama. Hóa thạch lâu đời nhất của loài mèo cây hiện đại có nguồn gốc từ Pleistocen muộn ở Brazil khoảng 0,5 triệu năm trước. Các báo sư tử gốc ở Bắc Mỹ đã bị tuyệt chủng trong thời kỳ tuyệt chủng của Pleistocen khoảng 10.000 năm trước; Bắc Mỹ sau đó được tái tổ hợp bởi các loài báo sư tử Nam Mỹ và mèo cây từ 10.000–8.000 năm trước.[14][15][16] Chi Miracinonyx đã tuyệt chủng ở Bắc Mỹ là một thành viên khác của dòng giống này.[17]